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Traité de la lumière/Chapitre IV

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Gauthier-Villars (p. 54-61).


CHAPITRE IV
DE LA RÉFRACTION DE L’AIR



Nous avons montré comment le mouvement, qui fait la lumière, s’étend par des ondes sphériques dans une matière homogène. Et il est évident que lorsque la matière n’est pas homogène, mais de telle constitution que le mouvement s’y communique plus vite vers un côté que vers un autre, ces ondes ne sauraient être sphériques, mais qu’elles doivent prendre leur figure suivant les différents espaces que le mouvement successif parcourt en des temps égaux.

C’est par là que nous expliquerons premièrement les réfractions qui se font dans l’air, qui s’étend d’ici aux nues et au delà ; desquelles réfractions les effets sont fort remarquables, car c’est par elles que nous voyons souvent des objets que la rondeur de la Terre nous devrait autrement cacher, comme des îles et des sommets de montagnes lorsqu’on est sur mer. Par elles aussi le Soleil et la Lune paraissent levés auparavant qu’ils le soient en effet, et couchés plus tard ; de sorte qu’on a vu souvent la Lune éclipsée que le Soleil paraissait encore dessus l’horizon. Et ainsi les hauteurs du Soleil et de la Lune, et celles de toutes les étoiles paraissent toujours un peu plus grandes, par ces mêmes réfractions, qu’elles ne sont dans la vérité, comme savent les astronomes. Mais il y a une expérience qui rend cette réfraction fort visible, qui est qu’en fixant une lunette d’approche en quelqu’endroit, en sorte qu’elle regarde un objet éloigné de demi-lieue ou plus, comme un clocher ou une maison, si on y regarde à des heures différentes du jour, la laissant toujours attachée de même, l’on verra que ce ne seront pas les mêmes endroits de l’objet qui se présenteront au milieu de l’ouverture de la lunette, mais que d’ordinaire le matin et le soir, lorsqu’il y a plus de vapeurs près de la Terre, ces objets semblent monter plus haut, en sorte que la moitié ou davantage n’en sera plus visible, et qu’ils baisseront vers le midi quand ces vapeurs seront dissipées.

Ceux qui ne considèrent la réfraction que dans les surfaces qui distinguent des corps transparents de diverse nature, auraient peine à rendre raison de tout ce que je viens de rapporter, mais suivant notre Théorie la chose est fort aisée. L’on sait que l’air qui nous environne, outre les particules qui lui sont propres, et qui nagent dans la matière éthérée, comme il a été expliqué, se remplit encore de particules d’eau, que l’action de la chaleur élève ; et l’on a reconnu d’ailleurs par de très certaines expériences, que la densité de l’air diminue à mesure qu’on y monte plus haut. Or, soit que les particules de l’eau et celles de l’air participent, par le moyen des particules de la matière éthérée, du mouvement qui fait la lumière, mais qu’elles soient d’un ressort moins prompt que celles-ci, ou que la rencontre, et l’embarras que ces parties d’air et d’eau donnent à la propagation du mouvement des particules éthérées, en retarde le progrès, il s’ensuit que les unes et les autres, volant parmi les particules éthérées, doivent rendre l’air, depuis une grande hauteur jusqu’à la Terre, par degrés, moins facile à l’extension des ondes de la lumière.

Figure 16 : Réfraction de la lumière dans l’air
Fig. 16.

D’où la figure des ondes doit devenir telle environ que cette figure la représente (Fig. 16). Savoir si A est une lumière, ou une pointe visible d’un clocher, les ondes qui en naissent doivent s’étendre plus amplement vers en haut, et moins vers en bas, mais vers les autres endroits plus ou moins selon qu’ils approchent de ces deux extrêmes. Ce qui étant, il s’ensuit nécessairement que toute ligne, qui coupe une de ces ondes à angles droits, passe au-dessus du point A, si ce n’est la seule qui est perpendiculaire à l’horizon.

Soit B C l’onde qui porte la lumière au spectateur qui est en B, et que B D soit la droite qui coupe cette onde perpendiculairement. Or parce que le rayon ou la ligne droite, par laquelle nous jugeons l’endroit où l’objet nous paraît, n’est autre chose que la perpendiculaire à l’onde qui arrive à notre œil, comme l’on peut entendre parFigure 17 : Explication de la réfraction atmosphérique.
Fig. 17.
ce qui a été dit ci-dessus, il est manifeste que le point A s’apercevra comme étant dans la droite B D et ainsi plus haut qu’il n’est en effet.

De même si la Terre est A B (Fig. 17), et l’extrémité de l’Atmosphère C D, qui vraisemblablement n’est pas une surface sphérique bien terminée, puisque nous savons que l’air se raréfie à mesure qu’on y monte plus haut, parce qu’il en a d’autant moins au-dessus de lui qui le presse ; les ondes de la lumière du soleil venant, par exemple, en sorte que, tant qu’elles n’ont pas atteint l’atmosphère C D, la droite A E les coupe perpendiculairement ; ces mêmes ondes, entrant dans l’atmosphère, doivent avancer plus vite aux endroits élevés que dans ceux qui sont plus près de la Terre. De sorte que si C A est l’onde qui porte la lumière au spectateur en A, son endroit C sera le plus avancé ; et la droite A F, qui coupe cette onde à angles droits, et qui détermine le lieu apparent du Soleil, passera au-dessus du Soleil véritable, qui serait vu par la ligne A E. Et ainsi il peut arriver que ne devant point être visible sans vapeurs, parce que la ligne A E rencontre la rondeur de la Terre, il s’apercevra par la réfraction dans la ligne A F. Mais cet angle E A F n’est jamais guère plus grand que d’un demi-degré, parce que la ténuité des vapeurs n’altère que bien peu les ondes de la lumière. De plus ces réfractions ne sont pas tout à fait constantes en tout temps, surtout dans les petites hauteurs de 2 ou 3 degrés, ce qui vient de la différente quantité de vapeurs aqueuses qui s’élèvent de la Terre.

Et ceci même est cause qu’en de certains temps un objet éloigné sera caché derrière un autre moins éloigné, et qu’il pourra être vu dans un autre temps, quoique l’endroit d’où l’on regarde soit toujours le même. Mais la raison de cet effet sera encore plus évidente par ce que nous allons remarquer touchant la courbure des rayons. Il paraît par les choses expliquées ci-dessus que le progrès, ou la propagation d’une particule d’une onde de lumière, est proprement ce qu’on appelle un rayon. Or ces rayons, au lieu qu’ils sont droits dans des diaphanes homogènes, doivent être courbes dans un air d’inégale pénétrabilité. Car ils suivent nécessairement la ligne qui, depuis l’objet jusqu’à l’œil, coupe toutes les progressions des ondes à angles droits, ainsi que dans la première figure fait la ligne A E B (Fig. 16), comme il sera montré ci-après ; et c’est cette ligne qui détermine quels corps interposés nous doivent empêcher de voir l’objet ou non. Car bien que la pointe du clocher A paraisse élevée en D, pourtant elle ne paraîtrait pas à l’œil B si la tour H était entre eux, parce qu’elle traverse la courbe A E B. Mais la tour E, qui est au-dessous de cette courbe, n’empêche point la pointe A d’être vue. Or selon que l’air proche de la Terre excède en densité celui qui est plus élevé, la courbure du rayon A E B devient plus grande ; de sorte qu’en certains temps il passe au-dessus du sommet E, ce qui fait apercevoir la pointe A à l’œil en B ; et en d’autres temps, il est interrompu par la même tour E, ce qui cache A à ce même œil.

Mais pour démontrer cette courbure des rayons conformément à notre précédente Théorie, imaginons-nous que A B (Fig. 18) soit une parcelle d’onde de lumière venant du côté C, laquelle nous pouvons considérer comme une ligne droite. Posons aussi qu’elle soit perpendiculaire à l’horizon ; l’endroit B étant plus proche de la Terre que l’endroit A, et qu’à cause des vapeurs moins embarrassantes en A qu’en B, l’onde particulière qui procède du point A s’étende par un certain espace A D, pendant que l’onde particulière qui procède du point B s’étend par un espace moindre B E, étant A D, B E parallèles à l’Horizon. De plus, supposant des droites F G, H I, etc., tirées d’une infinité de points dans la droite A B, et terminées par la droite (ou qui peut être considérée comme telle) D E, soient par toutes ces lignes représentées les diverses pénétrabilités dans les différentesFigure 18 : Explication de la réfraction atmosphérique.
Fig. 18.
hauteurs de l’air entre A et B ; de sorte que l’onde particulière, née du point F, s’élargira de l’espace F G, et celle du point H de l’espace H I, pendant que celle du point A s’étend par l’espace A D.

Or si des centres A, B l’on décrit les cercles D K, E L, qui représentent l’étendue des ondes qui naissent de ces deux points, et que l’on mène la droite K L qui touche ces deux cercles, il est aisé de voir que cette même ligne sera la tangente commune de tous les autres cercles qui ont été décrits des centres F, H, etc., et que tous les points de contact tomberont dans la partie de cette ligne qui est comprise entre les perpendiculaires A K, B L. Donc se sera la droite K L qui terminera le mouvement des ondes particulières nées des points de l’onde A B, et ce mouvement sera plus fort entre les points K L que partout ailleurs dans le même instant, puisqu’une infinité de circonférences concourent à former cette droite. Et partant K L sera la propagation de la partie d’onde A B, suivant ce qui a été dit en expliquant la réflexion et la réfraction ordinaire. Or il paraît que A K, B L baissent vers le côté où l’air est moins aisé à pénétrer, car A K étant plus longue que B L, et lui étant parallèle, il s’ensuit que les lignes A B, K L, étant prolongées, concourent du côté L. Mais l’angle K est droit, donc K A B est nécessairement aigu, et partant moindre que D A B. Que si l’on cherche de [la] même manière le progrès de la partie d’onde K L, on la trouvera dans un autre temps parvenue en M N, en sorte que les perpendiculaires K M, L N baissent encore plus que A K, B L. Et ceci fait assez voir que le rayon se continue suivant la ligne courbe qui coupe toutes les ondes à angles droits, comme il a été dit.