Sur la cause de l'électrisation des nuages orageux

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Submitted on 1 Jan 1885

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H. Pellat

To cite this version:

H. Pellat. Sur la cause de l’électrisation des nuages orageux. J. Phys. Theor. Appl., 1885, 4 (1),

pp.18-25. �10.1051/jphystap:01885004001800�. �jpa-00238333�

18

SUR LA CAUSE DE

L’ÉLECTRISATION

DES NUAGES

ORAGEUX;

PAR M. H. PELLAT.

A titre

hypothétique,

^{Peltier a}

^admis,

^pour

expliquer

^les

phé-

nomènes

électriques

^{dont notre}

atmosphère

^{est le}

siège, que

^{le sol}

est recouvert normalement d’une couche d’électricité

négative.

^La

connaissance

plus parfaite

que nous avons

aujourd’hui

^des

phéno-

mènes

électriques permet

^{de montrer}

la justesse

^{de la}

conception

de

Peltier, qui

^{est, non une}

hypothèse,

^{mais bien une réalité.}

On

sait,

^en

effet,

_{que par le} ^beau

_temps

^le

potentiel

des couches d’air va en croissant avec

l’altitude,

^à

partir

^{du sol.}

Or, quand

^le

potentiel

^du milieu isolant

augmente

^en

s’éloignant

^de la surface d’un

conducteur,

^{celle-ci est}

chargée

d’électricité

négative :

par le beau

temps,

^{le sol} est couvert d’une couche d’électricité né-

/j’fltive.

La densité

électrique

^{de cette couche est très faible du reste, et}

il est aisé de

voir,

par le

calcul,

que la

pression électrique qui

^en

résulte est insuffisante pour soulever les corps les

plus légers (1);

(1) Les observations de sir W. Thomson et de 31. Joule, ^à Aberdecn, ^{ont donné} o,oo’15 ^unité électrostatique pour la variation de potentiel par centimètre d’alti- tude. En vertu de la relation

on en concl u t, pour la densité électrique 03BC ^du sol,

La pression électrique étant donnée par la relation

on a

Cette pression par centimètre carré ^est moindre que ^le poids d’un millionième

de milligramme.

Il est vrai que l’accroissement de potentiel par centimètre d’altitude étant très

variable, sa valeur peut, ^dans certain cas, ètre dix fois supérieure ^{à celle} qui ^{a été}

admise pour faire ^ce calcul, ^ce qui centuplerait le nombre trouvé pour la valeur de la pression électrique; mais, ^même alors, ^cette pression ^{est encore} trop ^faible pour soulever les corps les plus légers.

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphystap:01885004001800

c’est pour cela

qu’on

^ne

peut

pas ^{en constater} directement l’exis-

tence.

Par les

temps

^{couverts, le}

potentiel

^tantôt

augmente,

^tantôt diminue avec l’accroissement

d’altitude;

^{le sol est tantôt électrisé}

négativement,

^tantôt

positivement. ^Mais,

^{en somme, les}

potentiels

décroissants étant le cas de

beaucoup

^{le moins}

fréquent,

^{le sol est}

bien

plus

^{souvent électrisé}

négativement

que

positivement.

^Du

reste, ^les densités

positives

observées par les

temps

couverts sont

presque

toujours

inférieures aux densités

négatives

observées par le beau

temps.

De l’ensemble de ces

faits,

^{il faut}

conclure,

^{avec sir W. Thom-}

son, que

si,

^{à un moment}

donné,

la surface de notre

globe présente

des

régions

électrisées

négativement

^{et d’autres} électrisées

positi-

vement,

^{ces dernières étant de}

beaucoup

les moins

étendues,

^la

totalité de la surface

présente

^un excès d’électricité

négative.

Il

paraît

^bien

probable, d’après ^cela,

que les couches d’air voi- sines du sol doivent être

chargées

^aussi d’électricité

négative (1),

ne fût-ce _{que par} suite du

phénomène

^{suivant. Il arrive assez fré-}

quemment qu’un

^{nuage se forme}

près

^{du sol et se trouve avec}

lui en communication

électrique

^assez

parfaite,

pour que la couche

électrique négative qui

^était

primitivement

^{sur le sol} passe ^à la ^sur- face inférieure du nuage. Si celui-ci se détache du

sol, s’élève, puis s’évapore,

l’électricité

négative

^{dont il est}

chargé

^se

répand

^dans

l’air et l’électrise.

Or,

^{si l’air est}

chargé

d’électricité

négative,

^{il en} résulte que la valeur du

champ électrique dV

_dn

^augmente

^avec l’altitude. En

effet,

dès que les surfaces

équipotentielles

^{sont assez loin} du sol pour que leur forme ne soit

plus

influencée _par ses

reliefs,

^{ces surfaces}

sont des

plans

horizontaux et, par

conséquent,

^les

lignes

^{de force}

sont des verticales. Alors la somme des trois dérivées secondes du

potentiel (âV)

^{se réduit à}

d2 V,

^{dn en}

^{appelan t}

^{dn la}

^longueur

^infi-

(1) ^Bien entendu, ^{en disant} qu’il ^est probable que l’air ^est électrisé négative- ment, ^{nous ne voulons} parler que de l’état moyen d’électrisation de l’air. Il est évident qu’il ^{doit se} présenter parfois ^{des masses} d’air électrisées positivement;

par exemple, quand ^un nuage positif s’évapore, ^son électricité se trouve répandue

dans la couche d’air où s’est produite l’évaporation, ^et peut ^la charger positive-

ment.

20

niment

petite comptée

^{sur la}

verticale,

et,

d’après

le théorème de

Poisson,

^{on a}

si la densité

électrique cubique o est négative,

^la

dérivée -

d2 V_dn2 ^de la valeur du

champ 1

_dn ^par

^rapport

^à l’altitude étant

positive,

cette valeur est croissante.

Ainsi,

^{dans le cas ou l’air est électrisé}

négativement,

^le

champ électrique

^{a une valeur}

plus

considérable dans les hautes

régions

de

l’atmosphère

que celle que ^nous pouvons ^{mesurer à} la surface du sol. Dans les _cas,

’probablement beaucoup plus

^{rares, où l’air}

serait électrisé

positivement

^{et ou les}

potentiels

^{iraient encore en}

croissant avec

l’altitude,

^{la valeur du}

champ électrique

^{dans les}

hautes

régions serait,

^au

contraire,

moindre que

près

^{du sol.}

Nous nous proposons maintenant de montrer :

1° que,

^{si l’air}

n’est pas

électrisé,

^{la couche}

électrique négative placée

^{sur le}

^sol, quelque

^faible

qu’elle puisse paraître (voit-la

^note de la page

18),

^est

bien suffisante pour électriser par influence les nuages ^et

produire

les orages

électriques;

^2° que, si l’air ^est électrisé

négativement,

ce

qui probablement

doit avoir lieu le

plus

^{souvent, son influence}

s’ajoute

^{à celle du} sol pour

produire

^une électrisation

plus

^forte

des nuages.

On sait que ^tout conducteur

placé

^{dans un}

champ électrique,

comme celui de

l’atmosphère

^pour

lequel

^les

potentiels

^{vont en}

croissant avec

l’altitude,

^est forcément électrisé _par

influence;

car, si dans une certaine

région

^{A le} conducteur est à l’état _neutre, c’est que ^le

potentiel

uniforme V de celui-ci est le même que le po- tentiel des couches d’air voisines de A. Alors les

parties

^{du con-}

ducteur, qui

^sont au-dessus de

A,

^{étant à un}

potentiel

^{V inférieur à}

celui des couches d’air

environnantes,

^{se sont} électrisées

négati-

vement, tandis _que les

parties qui

^sont au-dessous de la

région A,

^{étant à un}

potentiel

^V

supérieur

^à celui des couches d’air voi-

sines,

^sont électrisées

positivement.

^{C’est là un fait}

qui

^{a été con-}

staté maintes fois par

l’expérience.

Or,

si l’air n’est pas

électrisé,

nous avons vu que ^le

champ électrique

^de

l’atmosphère possède ^partout (ou

^{à très peu}

près)

la même valeur que

près

^du

sol,

^{et la densité}

électrique

p de celui-

ci est reliée à ce

champ

par ^{la formule}

dn

_dit ^{r - -}

^{4 R03BC.} UISqU’l

existe entre la valeur du

champ

^{et la densité}

électrique

^{du sol}

une

dépendance ^absolue,

^on

peut

considérer le

champ

^comme

créé par ^la

présence

^{de la couche}

électrique

^{du sol et} dire que c’est celle-ci

qui,

par

influence,

^{électrise ce} conducteur. La valeur de ce

champ électrique

^{est connue du reste} par l’observation : elle

est très

variable; mais,

pour fixer les

idées, admettons,

^ce

qui

^est

souvent au-dessous de la

vérité,

_{que le}

potentiel

croît d’une unité

électrostatique

^C.G.S. par ^mètre d’élévation en altitude.

Un _nuage ^{est un} corps ^assez conducteur pour que ^son

potentiel

soit peu différent d’un

point

^{à un autre. Si donc un} nuage vient à

prendre

naissance dans un ciel

primitivement

pur, ^ce nuage ^est forcément

électrise, positivement

^en

^bas, négativement

^{en haut.}

Qu’un

coup ^{de vent} vienne à

séparer

^sa

partie supérieure

^{de sa}

partie inférieure,

^{et voilà} deux nuages

chargés

d’électricité con-

traire.

Cette

explication

de l’électrisation des nuages orageux par in- fluence n’est certes pas

nouvelle;

^{mais nous allons la}

compléter

^em

montrant que la

grandeur

de l’électrisation ainsi obtenue est par- faitement suffisante pour donner lieu aux

phénomènes

des orages

électriques.

Pour le montrer, prenons ^un

exemple :

considérons de nouveau

les deux _nuages

électrisés,

^{dont nous venons}

d’indiquer

^{la forma-}

tion. Tant

qu’ils

^se

touchaient,

ils étaient à peu

près

^{au même}

potentiel;

^en

s’éloignant,

^{même sans}

changer d’altitude,

^lenr

poten-

tiel devien différent : le nuage le

plus ^haut, qui

^est

négatif, prend

un

potentiel

^de

plus

^en

plus

^{inférieur à} celui du nuage le

plus bas,

qui

^est

positifs.

^{Mais cette} différence de

potentiel peut

^devenir considérable si _{le nuage}

supérieur

^{s’abaisse et} si le nuage inférieur s’élève. En

effet,

^{les causes} lointaines

qu i

font varier les

poten-

tiels des couches

d’air,

^et

qui,

^dans

l’hypothèse

^{de l’air non élec-}

trisé,

^{se réduisent à la couche}

électrique

^du

sol, éprouvent

peu de modifications

par la présence

des deux nuages. Ceux-ci vont donc subir dans leur mouvement une variation de

potentiel,

^à peu

près

égale

^{à la} différence de

potentiel

^{des couches entre}

lesquelles

^sc

produit

^le mouvement; c’est-à-dire que, ^avec le nombre admis

plus

haut,

^le

potentiel

du nuage

négatif

^va

diminuer,

^le

potentiel

^du

22

nuage

positif augmenter

d’une unité par ^mètre de variation d’altitude.

Supposons

que ^cette variation d’altitude soit de 500m pour

chaque

nuage : c’est ^une différence de 1000 unités électro-

statiques

^C.G.S.

qui,

^{par ce seul}

^fait,

^se

produit

^{entre eux.}

Or les nuages

peuvent,

par les

temps d’orage, éprouver

^des

déplacements

^{en altitude bien}

supérieurs

^à

^5oom;

^d’autre

part,

^le nombre admis pour la valeur du

champ (une

unité par

mètre)

^est

souvent

dépassé près

^{de la surface du}

^{sol ;}

^enfin

rappelons

que ^si l’air est électrisé

négativement,

^{comme cela nous}

paraît probable,

la valeur du

champ électrique

^est

plus grande

^{dans les}

régions

élevées que

près

^{du sol}

(’ ).

Ainsi,

^sous l’influence des causes que nous venons de

signaler,

des nuages chassés par les ^vents violents d’un orage ^et

enveloppés

par ^{un air} isolant

pourraient acquérir

^des différences de

potentiel

de

plusieurs

milliers d’unités

électrostatiques.

Nous allons voir maintenant

qu’il

^{n’en faut.}

probablement

pas

tant pour obtenir des éclairs de

quelques

kilomètres de

longueur.

Reportons-nous,

pour

cela,

^{à de très}

remarquables expériences

de 31. Mascart sur la différence de

potentiel

nécessaire pour obte- nir une étincelle entre deux boules

(2).

^{Nous avons}

représenté

^sur

la fig.

^{i la courbe}

qui

^{résume ces}

expériences;

^les différences de

potentiel, exprimées

^{en unit,és}

électrostatiques ^C.G.S.,

^{ont été}

portées

^{en abscisses et les}

longueurs

d’étincelle

correspondantes,

(’ ) ^{Nous tenons à} faire remarquer que si, contrairement à ce qui ^nous parait probable, l’air était normalement chargé d’électricité positive, la valeur du champ

allant en diminuant avec l’altitude et d’une manière inconnue, ^il pourrait ^{se faire}

que ^ce champ ^{ne fût} plus suffisant pour produire les différences de potentiel

nécessaires à la longueur ^{de l’éclair.} Il faudrait alors chercher ailleurs l’explica-

tion de l’électrisation des nuages orageux. L’exactitude des considérations que

nous présentons ^{sur la cause de ces} phénomènes ^est donc subordonnée à l’exac- titude d’une proposition qu’on peut regarder ^comme probable, ^{mais non comme} certaine, à savoir que l’air ^{a une} charge électrique presque nulle ^{ou une} charge négative. Nous pensons que des recherches dirigées dans le but de déterminer l’électrisation de l’air pourront ^{confirmer ou infirmer cette} proposition ; ^mais

nous ne croyons pas que celles qui ^ont été tentées jusqu’à présent puissent ^tran-

cher la question.

Le moyen qui ^nous semblerait le plus propre à éclaircir ^ce point ^serait précisé-

ment de voir si la valeur du champ électrique

dV

^{dn augmente, diminue ou reste}

constante quand l’altitude augmente.

(2) lB1:ASCART, ^Traité d’Électricité statique, ^t. 11, § 479, p. 8,.

exprimées

^en

centimètres,

^{ont été}

_portées

^en

ordonnées.

Cette Fig. ^1.

courbe se relève

rapidement

^et

paraît présenter

^une

^asymptote

^cor-

respondant

^{à la valeur 5oo ou 600 unités de} différence de

potentiel,

24

c’est-à-dire

qu’en approchant

^{de cette} valeur l’étincelle

électrique

aurait une

longueur

^{tendant vers l’infini. En} admettant même que la

longueur

de l’étincclle ne devienne de

plusieurs

kilomètre-; qne pour ^des différences de

potentiel

notablement

supérieures

^{à 5oo}

ou 600 unités

(i),

^on

^voit, malgré cela,

que ^{les causes}

indiquées

ci-dessus _pour l’électrisation des nuages,

pouvant

donner des dé- férences de

plusieurs

^milliers

^d’unités,

^{sont Lien} .suffisantes pour

expliquer

^la

grande longueur

^{de l’éclair.}

Pour que ^la

décharge

^se

produise

^sous forme d’une étincelle brillante et sonore et non sous forme d’une

aigrette

silencieuse et à

peine visible;

^il faut que les conducteurs

présentent

^des

charges électriques notables;

^{inais la}

charge,

pour

despotentiels déterminés,

ne

dépend

que de la

capacité électrique,

^{et, il} est facile de

voirque

la

capaci té électrique

^{des nuages}

^peut

^être

supérieure

^{à celle de nos}

plus puissantes

^batterie.

Ainsi, pour expl iquer les phénomènes électriques de l’atmosphère,

il

n’y

^a pas besoin de chercher d’autres causes que ^la

présence

^cer-

taine d’une couche

électrique négative

^à la surface du sol

(2).

(1) Le sujet même que ^nous traitons nous fait penser que la décharge ^ne peut avoir lieu à de très grandes distances que pour des différences de potentiel ^nota-

blement supérieures ^{à celles} qu’on pourrait déduire par extrapolation ^des expié-

iiences de 1B1. Mascart. On sait, ^en efrel, que l’énergie ^d’une décharge ^est repré-

sentée

par 1 2QV,

^en désignant par V la différence de potentiel ^{initial entre les deux}

conducteurs et par Q ^la quantité d’électricité qui ^s’écoule. Or, si deux nuages ^se

déchargeaient ^{l’un sur} l’autre dès que leur différence de potentiel ^Y atteint 5oo ou

600 unités, il faudrait, _pour trouver l’énergie d’un coup de fotidle, supposer ^à la

quantité d’électricité qui s’écoule, Q, ^une valeur extrêmement grande ^et qui ^néces sitcrait, pour les nuages, ^une capacité électrique plus considérable que celle

qu’ils peuvent avoir. Nous pensons donc que l’éclair ^{ne sc} produit que pour des différences de potentiels plus grandes que fioo unités, ^{mais non} pas tellement plus grandes qu’elles ^ne puissent ^{très bien avoir} pour origine les seules causes que

nous indiquons ^{dans le texte.}

(2) Quelques auteurs ont pensé qLl’ll était nécessaire d’admettre l’existence d’une couche d’électricité positive ^aux limites de notre atmosphère, pour expliquer ^ces phénomènes électriques, et, ^en particulier, ^le phénomène ^{de l’aurore horéale.} Mais,

même en admettant, ^ce qui parait probable ^du reste, que l’aurore boréale ^est duc à des décharges silencieuses entre les cristaux de glace ^{dont une} atmosphère ^froide

est chargée, ^il n’y ^a pas besoin, pour expliquer ^cet écoulement d’électricité, ^de supposer ^autre close que ^ce fait bien certain de l’existence habituelle d’un excès de

potentiel ^des régions ^{élevées sur le} sol ; ^les régions supérieures s’électrisent né-

gativement par ^ces décharges ^aux dépens de l’électririté de la surface du sol.

Si la limite de l’atmosphère ^était conductrice, l’existence de l’électricité posi-

Mais d’où vient ^cette couche d’électricité

négative?

Nous pensons

qu’elle

^a

toujours

existé. Si la

Terre,

^{lors de sa}

formation,

^a reçu ^un excès d’électricité

négative,

^{elle ne}

peut

^le

perdre, puisqu’elle

^est

parfaitement

^{isolée dans}

l’espace.

Mais cet excès d’électricité

négative

^ne doit-il pas ^se

répandre

dans

l’atmosphère

^et

disparaître

^{du sol?}

Nous l’avons

déjà ^dit,

^nous croyons

qu’il

^{est en}

partie répandu

dans

l’atmosphère,

^{mais en}

partie seuletment,

^{une cause ramenant}

à

chaque

^{instant au sol} l’électricité

négative :

^{cette cause est la}

pluie. Supposons,

^en

^effet, qu’un

^{nuage se forme au} milieu d’un air

chargé

d’électricité

négative ;

^ce nuage recueille ^cette électri- cité eu, s’il ^se résout

complètement

^en

pluie,

^les

gouttelettes

^d’eau

la ramènent ^au sol. Ce retour de l’électricité

négative peut

^se pro- duire même si le sol est

déjà

^électrisé

négativement,

^la

pesanteur

triomphant

^{de la}

répulsion électrique.

En

résumé,

^nous pensons que ^tous les

phénomènes électriques

de

l’atmosphère s’expliquent

d’une manière

simple.,

^en considérant la Terre comme un

globe

^électrisé

négativement.

tive dans les hautes régions ^{serait non} probable, ^{mais bien certaine;} en" effet, ^les tubes de forces partant du sol aboutiraient à cette surface conductrice, et, ^comme

entre deux conducteurs un tube de force renferme autant des deux électricités, ^et que ^ces tubes contiennent

l’électricité

négative ^en bas, ils contiendraient nécessai- rement de l’électricité positive ^en haut. Mais rien ne ressemble moins à un corps conducteur que l’air de plus ^en plus ^dilué qui existe dans les hautes régions ^de l’atmosphère; ^{il est bien} probable que les tubes de force qui partent ^du sol, ^ou

se perclent ^dans l’espace ^ou aboutissent à des conducteurs extra-terrestres sui,

lesquels ^{se trouve} l’électricité positive. ^Aussi l’existence d’une couche d’élecuri- cité positive ^aux limites de notre atmosphère ^nous pacait peu probable et, ^{en tout} cas, nullement prouvée.