En 1838, un physicien français aujourd’hui presque oublié, Claude Servais Mathias Pouillet, publie dans les Comptes rendus de l’Académie des sciences un mémoire ambitieux qui cache une idée simple : mesurer, pour la première fois, la quantité de chaleur que le Soleil envoie à la Terre.
Évoquant le « grand mystère » de la manière dont le Soleil entretient son immense émission de chaleur et de lumière, l’astronome et philosophe de la nature britannique John Herschel écrit avec désespoir dans son Traité d’astronomie de 1833[1] :
« Chaque découverte en chimie nous laisse ici totalement désemparés ou, plutôt, semble éloigner davantage la perspective d’une explication probable. »
Quelle que soit la nature du Soleil, il ne s’agit pas d’une machine chimique alimentée par du charbon ou d’autres combustibles. Herschel en conclue[2] :
« Nous ne savons rien, et nous pouvons tout supposer. »
Cinq ans après que Herschel ait confessé sa totale ignorance, le physicien français Claude Pouillet, directeur du Conservatoire des arts et métiers à Paris, réussit à mesurer l’effet thermique de la lumière solaire à l’aide d’un calorimètre spécialement conçu. Voyons cela.
Un physicien discret, mais ambitieux
Pouillet (1791–1868) n’est pas une figure flamboyante de la science française. Professeur à la Sorbonne, membre de l’Académie des sciences, il est surtout connu pour ses Éléments de physique expérimentale et de météorologie (1832). Son intérêt pour la chaleur rayonnante vient des travaux de Dulong et Petit sur le refroidissement des corps, et de Fourier sur la diffusion de la chaleur dans l’atmosphère. Pouillet veut aller plus loin : mesurer la chaleur du Soleil elle-même. Pour cela, il invente un instrument : le pyrhéliomètre. L’appareil est d’une simplicité remarquable. Pouillet le décrit ainsi[3] :
« Le vase est très mince, d’argent ou de plaqué d’argent ; il a un décimètre de diamètre et 14 ou 15 millimètres de hauteur ; il contient environ 100 grammes d’eau. […] La surface du vase qui reçoit l’action solaire est soigneusement noircie au noir de fumée. »
Le principe est celui d’un calorimètre : on expose le vase noirci au Soleil, on mesure l’élévation de température de l’eau, et l’on en déduit la quantité de chaleur reçue. Pour corriger les pertes, Pouillet mesure aussi le refroidissement du vase lorsqu’il est placé à l’ombre. Il résume son protocole :
« Pendant 5 minutes, sous l’action du Soleil, on note de minute en minute son réchauffement […]. À la fin de la cinquième minute on remet l’écran, […] et pendant cinq minutes encore on observe son refroidissement. »
Cette méthode, très ingénieuse, permet de soustraire les pertes thermiques et d’obtenir la chaleur réellement fournie par le Soleil.
Une loi d’absorption de l’atmosphère
Pouillet ne se contente pas de mesurer la chaleur reçue au sol. Il veut connaître la chaleur aux limites de l’atmosphère, là où les rayons solaires n’ont pas encore été atténués. Pour cela, il étudie l’absorption de l’atmosphère en fonction de l’épaisseur d’air traversée. Il propose une loi empirique : t = A pe où t est l’élévation de température, e l’épaisseur atmosphérique, A une constante indépendante de l’atmosphère, et p une constante atmosphérique qui contient le pouvoir de transmission de l’atmosphère pour laisser passer le rayonnement jusqu’à la surface de la Terre. En ajustant cette formule à ses mesures, il obtient une valeur de A qui représente la chaleur solaire reçue sans absorption.
Comptes rendus de l’Académie des Sciences Françaises, 7 (1838) 24 65
Pouillet trouve :
« La quantité de chaleur que le Soleil donne en 1 minute sur un centimètre carré, aux limites de l’atmosphère, est 1,7633 unités. »
Cette valeur correspond à 1,76 cal/cm²/min, soit 1,23 kW/m² en unités modernes. La valeur actuelle est 1,36 kW/m². Autrement dit, Pouillet se trompe de moins de 10 %. Pour un instrument artisanal de 1838, c’est un exploit.
Pouillet ne s’arrête pas là. Il calcule la quantité totale de chaleur reçue par la Terre en une année. Il obtient un résultat imagé :
« Elle serait capable de fondre une couche de glace […] qui aurait une épaisseur de 30,89 mètres. »
Cette manière de traduire un flux énergétique en épaisseur de glace fondue est typique de la pédagogie scientifique du XIXᵉ siècle.
Pouillet tente même d’estimer la température du Soleil. En utilisant la loi de refroidissement de Dulong et Petit, il obtient une température comprise entre 1461°C et 1761°C. Cette estimation est très inférieure à la valeur moderne (≈ 5700°C), mais elle constitue la première tentative scientifique sérieuse.
L’importance de Pouillet dépasse la seule mesure. Il introduit une manière nouvelle de penser la chaleur solaire : non plus comme une simple élévation de température, mais comme une quantité d’énergie. L’histoire de Pouillet est aussi une belle illustration de la science expérimentale du XIXᵉ siècle : ingénieuse, artisanale, ambitieuse. Avec un simple vase noirci, un thermomètre et beaucoup de patience, il mesure avec une précision remarquable la puissance du flux lumineux par unité de surface. Comme quoi, un petit récipient d’eau posé au soleil…
Plusieurs raisons expliquent qu’on ait un peu oublié Pouillet. Son instrument, bien qu’ingénieux, fut rapidement supplanté par des méthodes plus précises. Ses calculs sur la température du Soleil reposaient sur une loi (Dulong-Petit) qui ne s’applique pas aux très hautes températures. Herschel et Forbes, plus célèbres, réalisèrent des mesures similaires peu après lui[4].
[1] Herschel, J., Treatise on Astronomy. London: Green & Longman, p. 212 (1833). https://archive.org/details/atreatiseonastr03hersgoog/page/n224/mode/2up
[2] Kragh H., Before Bethe: Early Ideas of the Sun’s Generation of Energy, https://arxiv.org/pdf/2209.00072
[3] Pouillet C., Mémoire sur la chaleur solaire, sur les pouvoirs rayonnants et absorbants de l’air atmosphérique, et sur la température de l’espace, C. R. Acad. Sci. Paris 7 (1838) 24 65. https://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k29662/f24.item
[4] Kidwell, P. A., Prelude to Solar Energy: Pouillet, Herschel, Forbes and the Solar Constant, Annals of Science 38: 457-476 (1981). https://doi.org/10.1080/00033798100200321
Image en-avant générée par IA.
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