Un héliographe devant le soleil couchant. © U.S. Department of Energy
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Cabinet de curiosités : l'héliographe, un appareil qui « enregistre » l'ensoleillement sans électricité

ActualitéClassé sous :météorologie , histoire , observation du Soleil

[EN VIDÉO] 10 ans dans la vie du Soleil en vidéo  Pour les 10 ans de son satellite d'observation du Soleil SDO, la Nasa publie un magnifique timelapse couvrant presque tout un cycle d'activité solaire. Regardez notre Étoile fulminer, vibrer, tourner et aussi s'apaiser avec le temps. Une vidéo qu'on ne se lasse pas de regarder. 

Dans ce nouveau chapitre du Cabinet de curiosités, nous oublions la grisaille un instant pour partir à la découverte d'un drôle d'instrument : l'héliographe. Chaussez vos lunettes de soleil, installez-vous confortablement près de votre fenêtre, et commençons.

Aujourd'hui peut-être plus que jamais, il ne fait aucun doute que le climat et à plus petite échelle la météo jouent un rôle capital dans nos existences. Capables de favoriser la prolifération de la vie ou au contraire de couper court à sa progression, les variations météorologiques ont sûrement fait partie des premiers signaux que les humains ont appris à utiliser pour interpréter et prédire leur environnement. Et au fil de notre évolution, de nouveaux moyens de mesure ont commencé à émerger pour mieux les quantifier. Un demi-millénaire avant l’ère commune, les Grecs anciens traçaient les premières ébauches de ce que l'on appellerait de nos jours la pluviométrie. En -400, les Indiens installaient des récipients destinés à collecter la pluie autour de leurs cultures pour obtenir une meilleure appréciation des conditions et des contraintes auxquelles ils devraient s'adapter.

Les premiers moyens de thermométrie sont imaginés au début de l'ère commune, puis développés entre le XVIe et le XVIIIe siècle pour finalement donner naissance aux thermomètres modernes en 1724. En 1802, le néphologue Luke Howard propose une nomenclature pour classer les nuages. Les épisodes de neige et de grêle sont également scrupuleusement observés, les grêlons mesurés et les résultats reportés. Mais le soleil, pour sa part, reste récalcitrant à ces examens détaillés. Comment quantifier quotidiennement la durée d'ensoleillement sans garder les yeux constamment rivés vers un ciel ponctué de nuages ? Comment estimer son intensité sans y perdre sa rétine ? La solution est apportée par un celtiste extravagant répondant au nom de John Francis Campbell, en 1853.

Le Highlander et le soleil

Bien qu'il descende d'une riche famille de propriétaires terrestres, John Campbell connaît une jeunesse bien différente de celle qu'expérimentent habituellement les enfants issus de son milieu social. Son démocrate de père le place en effet sous la tutelle d'un joueur de cornemuse aux côtés duquel il se forme à la culture et à la mentalité des Highlands, un héritage qu'il défendra avec ferveur tout au long de sa vie. Insatiable curieux et grand aventurier, John Campbell apprend à parler huit langues, voyage à travers le monde et explore aussi bien le domaine de la culture que celui des sciences. S'il a acquis sa célébrité en devenant un brillant collectionneur de contes gaéliques (donnant ainsi une chance à la tradition orale d'être préservée à l'écrit), il s'est également intéressé à la géologie et, vous l'aurez deviné, à la météorologie.

Élevé en pur Higlander, John Francis Campbell défendra son héritage culturel tout au long de sa vie. © Royal Collection Trust

Or, en 1853 donc, John Campbell a une idée : enregistrer l’ensoleillement en exploitant l'énergie même du soleil. Son invention est simple - elle consiste en une simple sphère de verre placée dans un bol en bois - mais son élégance tient dans son ingéniosité. Lors de son déplacement dans le ciel, le soleil projette ses rayons sur la sphère qui les concentre à la manière d'une loupe. Le faisceau de lumière intense qui en résulte brûle le bois de manière plus ou moins prononcée selon la quantité d'ensoleillement, traçant ainsi un arc de cercle (un héliogramme) dans le bol à mesure que la journée avance. Placé dans un endroit suffisamment dégagé pour que la lumière ne soit pas obstruée, l'appareil permet ainsi d'enregistrer la durée et la quantité d'ensoleillement au fil des semaines et des mois, calcinant petit à petit l'intérieur du bol.

En traversant la sphère de verre, les rayons solaires se rejoignent en un point focal et brûlent le bois horizontalement au fil de la journée. On voit clairement sur cet exemple d'héliographe de Campbell que l'ensoleillement était moindre en décembre (haut du bol), par rapport à juin (on se rapproche du centre du bol à mesure que le soleil monte vers le zénith). © The Board of Trustees of the Science Museum

L'héliographe de Campbell-Stokes

Campbell réalise des centaines de mesures avec son « cadran solaire enregistreur » (répondant aujourd'hui plus volontiers au nom d'héliographe). Il le teste, le perfectionne, l'emmène en Égypte pour le mettre à l'épreuve du soleil cuisant puis compile ses résultats dans un rapport commandité par la House of Commons en 1857. Malgré le succès de son invention cependant, il est quelque peu frustré par son manque de précision. Un dérivé de son appareil en fonction à l'observatoire de Greenwich emploie pour sa part un bol de métal dans lequel une bande de tissu imperméabilisé est placée puis changée quotidiennement, fournissant ainsi un résultat beaucoup plus clair et détaillé. Campbell, inspiré par cette itération expérimente avec différents types de matériaux, mais c'est un mathématicien et physicien qui donnera à l'héliographe la forme qu'on lui connaît aujourd'hui.

Une version récente de l'héliographe de Campbell-Stokes à Skierniewice, en Pologne. © Witia

Vous avez d'ailleurs possiblement déjà entendu son nom. On le retrouve, entre autres, dans le nombre de Stokes, la loi de Stokes ou encore les équations de Navier-Stokes. Sir George Gabriel (Stokes) est un autre brillant chercheur, cette fois-ci dans le domaine de la mécanique des fluides, de l'optique et de la géodésie. En 1879, il propose sa propre amélioration de l'héliographe de Campbell. La sphère de verre est montée sur un axe en demi-cercle permettant d'ajuster son orientation en fonction de la latitude de l'utilisateur. Entre la sphère et l'axe, un croissant de métal doté de trois encoches permet d'accueillir les bandes de papier qui serviront à enregistrer le rayonnement solaire. Chaque encoche permet de placer le papier en fonction de la distance à l'équateur de l'utilisateur, et trois types de bandes peuvent être utilisés en fonction de la saison (et donc de la position du soleil dans le ciel), fournissant ainsi un héliogramme d'une grande précision.

L'héliographe brille toujours

Notons tout de même que malgré ces améliorations, l'appareil reste imparfait. À l'aube et au crépuscule, les rayons du soleil traversent une plus grande portion de l'atmosphère et se retrouvent tellement atténués qu'ils ne parviennent pas à laisser leur trace sur le papier. La mesure de l'ensoleillement peut également être grandement dégradée par un ciel très changeant et dans les régions polaires, l'utilité de l'héliographe se retrouve rapidement compromise lorsque la sphère est recouverte d'une épaisse couche de gel.

Cette photographie d'un héliographe gelé à l'observatoire du Turó de l'Home a servi de carte de Noël au Service météorologique de Catalogne en 1933. © Meteorological Service of Catalonia, Cartoteca de Catalunya, ICC

Néanmoins, en dépit de tous ces désavantages (pour lesquels des solutions plus ou moins satisfaisantes ont été trouvées au cours du temps), l'héliographe de Campbell-Stokes reste aujourd'hui très largement utilisé et fournit des données précieuses aux domaines de la météorologie, de l’énergétique ou encore de l’écologie. En 1964, l'Organisation météorologique mondiale (WMO) en fait l'héliographe de référence intérimaire pour tous les pays membres et fournit une liste d'indications permettant de standardiser son utilisation et sa lecture. Aux pôles, l'enregistreur solaire est désormais accompagné de son propre système de chauffage pour lutter contre les vents glacés. Assurons-nous donc de lui garder, nous aussi, une place ensoleillée sur les étagères de notre Cabinet de curiosités.

Rendez-vous dans deux semaines pour un nouveau chapitre du Cabinet de curiosités. © nosorogua, Adobe Stock

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