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La découverte de l'atmosphère
Aperçu Premières inspirations La pression barométrique
Les propriétés de l'air L'air et les gaz La température atmosphérique

Jalons
Premières inspirations

Sur la nature de l'air dans l'Antiquité.
Les anciens philosophes, dans leurs spéculations quelquefois profondes sur l'origine des choses, mais où la physique et la métaphysique se confondaient le plus souvent, ne considéraient l'air que comme un élément, et n'ont pu élaborer une conception de l'atmosphère considérée comme un tout, comme une enveloppe limitée de la Terre même (La matière dans l'Antiquité). Ils se bornaient à distinguer l'air de l'éther; le premier, grossier, impur, hétérogène, est celui que nous respirons et où se produisent tous les phénomènes météorologiques proprement dits, vapeurs, nuages, pluies, grêle, tonnerres, etc.; le second, plus subtil, plus pur, correspondait à la matière où étaient supposés nager les corps célestes. Ainsi, les plus anciens philosophes de l'école ionienne, Thalès, Anaximandre, regardent l'eau comme la semence des choses, comme la substance primitive 

« d'où sont sorties, par des séparations successives, la terre, l'air, et une sphère de feu qui enveloppa le tout comme une écorce ».
Et de son côté, Anaximène (Ve siècle avant notre ère) fait de l'air même le principe universel : 
« Tout, dit Anaximène, résulte de l'air par raréfaction ou par condensation (par l'échauffement ou le refroidissement). Par la raréfaction, l'air se change en feu; par la condensation, il devient le vent, puis les nuages, puis l'eau, puis la terre, puis les pierres. Ces corps simples forment ensuite les corps composés. » 
Dans la formation du monde, l'air produit d'abord la Terre, qu'Anaximène se figurait plate et étendue en largeur comme une table, et qu'il supposait, pour cette raison, portée par l'air (L'histoire de la géodésie). C'est, comme on voit, tout l'inverse de la réalité, où c'est la Terre qui supporte l'air. D'ailleurs, aucune idée de l'atmosphère limitée : 
« L'air, infini en grandeur, embrasse le monde entier. » 
Les mêmes idées se retrouvent dans Diogène d'Apollonie (la Philosophie des Grecs, par E. Zeller, t. I, passim.).

Les Anciens savaient que l'air est plus rare au sommet des montagnes que dans les vallées. C'est sur ce fait qu'ils fondèrent peut-être leur théorie de l'air et de l'éther. Suivant Pythagore, l'air (aer = impur, hétérogène) « est ce qui se trouve au-dessous de l'air pur, homogène. » Ce dernier était l'éther, aither, « = matière céleste, libre de toute matière sensible. »

Empédocle, cité par Clément d'Alexandrie et par Plutarque, adopta cette division, en y ajoutant la terre et l'eau. L'air, il l'appelait aussi Titan, comme le témoignent ces vers attribués à Empédocle :

La Terre, et la Mer ondoyante, l'Air humide,
Titan, et l'Ether, qui enveloppe le grand Cercle.
Platon, dans le Timée et le Phédon, distingue, comme Pythagore, deux sortes d'air :
« L'un, grossier et rempli de vapeur, est celui que nous respirons; l'autre, plus subtil, est l'éther, dans lequel les corps célestes sont plongés et y accomplissent leurs révolutions.-»
Écoutez aussi Aristote. Il vous parle longuement des brouillards, des nuages, des pluies, des grêles, des neiges, des vents, des exhalaisons subtiles de l'air; mais il n'a aucune idée d'une atmosphère proprement dite. D'autres physiciens philosophes n'ont fait qu'amplifier cette manière de voir. Ce n'est que dans Sénèque (mort à Rome en l'an 65 de notre ère) que l'on voit poindre l'idée que nous nous faisons aujourd'hui de l'atmosphère :
« L'air est une partie du monde, dit-il, une partie nécessaire. Car c'est l'air qui joint la Terre et le ciel. Il sépare les hautes régions des régions inférieures, mais en les unissant; il les sépare comme intermédiaire; il les unit, puisque par lui tous deux se communiquent [...]. L'air est contigu à la Terre : la juxtaposition est telle, qu'il occupe à l'instant l'espace qu'elle a quitté [...]. Son élasticité se prouve par sa rapidité et sa grande expansion. L'oeil plonge instantanément à plusieurs milles de distance; un seul son retentit à la fois dans des villes entières ; la lumière ne s'infiltre pas graduellement., elle inonde d'un jet toute la nature. » (Quaestiones nalurales, lib. 11, 4, 6, 8.).
Sénèque, comme on le voit, faisait de l'air le véhicule du son, mais aussi celui de la lumière. Tout ce qu'il dit sur ce sujet est d'ailleurs un mélange assez confus d'idées vraies et d'idées fausses, d'observations fines et justes et d'hypothèses qui nous semblent aujourd'hui plutôt baroques. Sénèque explique encore, au sujet de l'air :
« Il s'étend depuis l'éther le plus diaphane jusqu'à notre globe; plus mobile, plus délié, plus élevé que la terre et que l'eau, il est plus dense et plus pesant que l'éther. Froid par lui-même et sans clarté, la chaleur et la lumière lui viennent d'ailleurs. Mais il n'est pas le même dans tout l'espace qu'il occupe; il est modifié par ce qui l'avoisine. Sa partie supérieure est d'une sécheresse et d'une chaleur extrêmes, et par cette raison raréfiée au dernier point, à cause de la proximité des feux éternels, et de ces mouvements si multipliés des astres, et de l'incessante circonvolution du ciel. La partie de l'air la plus basse et la plus proche du globe est dense et nébuleuse, parce qu'elle reçoit les émanations de la terre. La région moyenne tient le milieu, si on la compare aux deux autres pour la sécheresse et la ténuité; mais elle est la plus froide des trois. »
D'où vient, selon Sénèque, cette opposition? De ce que la région supérieure reçoit la chaleur des astres dont elle est voisine, la région basse celle de la Terre : seule la région moyenne garde la température froide, parce que de sa nature l'air est froid. Ces citations nous semblent instructives, non pas tant parce qu'elles nous apprennent ce que pensaient les Anciens, que parce qu'elles nous montrent comment ils arrivaient, par des conjectures parfois très  ingénieuses à se faire une idée de la raison des phénomènes. 
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La pesanteur de l'air. 
Les Anciens savaient-ils que l'air est pesant? Plusieurs passages de leurs écrits nous autorisent à le croire. Ainsi, Aristote dit positivement que tout a de la pesanteur, que l'air lui-même pèse, et il n'excepte de cette loi que le feu. A l'appui de son affirmation, il gonfla d'air une vessie et constata que la vessie, ainsi gonflée, pèse plus qu'une vessie vide. Et déjà avant Aristote, Empédocle avait attribué la cause de la respiration  « à la pesanteur de l'air, qui se précipite dans l'intérieur des poumons ». Asclépiade, cité par Plutarque, avait la même opinion :
L'air, dit-il, est porté avec force dans la poitrine par sa pesanteur.
On notera cependant que la physique aristotélicienne avait une notion de la pesanteur bien éloignée de celle que commenceront à s'en faire les physiciens à partir de la Renaissance, et ces conceptions, comme beaucoup d'autres, passèrent inaperçues. Il faut arriver jusqu'au XVIIe siècle de notre ère pour qu'elles resurgissent de façon inattendue, lorsqu'on a voulu indentifier la cause qui fait monter l'eau dans un corps de pompe. On connaissait depuis des siècles les pompes aspirantes, puisque leur invention remonte à 180 ans avant J.-C. Mais, au Moyen Âge, les disciples d'Aristote avaient érigé en axiome que la nature a horreur du vide, et tant qu'on ne songeait pas à substituer à l'autorité d'une école celle de l'expérience, on devait continuer d'enseigner l'horror vacui, une vaine parole, comme la cause ascensionnelle de l'eau dans les pompes ordinaires, dont la hauteur ne paraissait jamais avoir dépassé 32 pieds.

Mais voici un petit incident qui fit crouler l'échafaudage d'une erreur qui avait duré si longtemps. Un jardinier de Florence, ayant construit une pompe plus longue que les pompes ordinaires, remarqua avec surprise que l'eau ne s'y élevait jamais au-dessus de 32 pieds, quelque effort qu'il fit pour la faire monter plus haut. Il communiqua le fait à Galilée pour en savoir la cause. Le grand physicien, dissimulant sa surprise, se contenta de dire au jardinier que la nature n'avait horreur du vide que jusqu'à trente-deux pieds... On prétend qu'après avoir lui-même répété cette expérience, il conjectura que l'air était la cause de l'ascension de l'eau dans les pompes; mais il mourut avant d'avoir pu vérifier sa conjecture.

Il importe de faire ici une distinction. Galilée, reprenant sous une autre forme l'expérience d'Aristote, s'était efforcé, dès 1638, d'établir que l'air pèse 400 fois moins que l'eau. Au lieu d'une vessie, il avait employé pour cela une boule creuse. Mais à l'époque où il fit cette expérience, il n'eut pas encore l'occasion de méditer sur l'intervention de l'atmosphère dans le phénomène de la pompe.

Torricelli, disciple de Galilée, ne se préoccupait d'abord lui-même que du fait de la persistance de l'eau à ne s'élever qu'à 32 pieds. Pour l'éclaircir, il eut l'heureuse idée de substituer le mercure à l'eau. Il en parla à son condisciple Vincent Viviani; et ce fut ce dernier qui entreprit, en 1643, de soumettre l'idée au contrôle de l'expérience. A cet effet, il se servit d'un tube de verre, hermétiquement fermé à l'un des bouts, tandis que par l'autre, resté ouvert, il introduisit du mercure. Mettant ensuite le doigt sur l'ouverture, il porta le tube renversé dans une cuve pleine de mercure.

En retirant le doigt, il vit que la colonne de mercure s'abaissa en laissant l'espace au-dessus vide, et qu'elle resta stationnaire à une hauteurde 27 pouces 1/2 : c'était juste le rapport connu de la densité du mercure à celle de l'eau, c'est-à-dire à pieds ou 27 1/2 pouces.

Torricelli manda, en 1644, le résultat de cette expérience à son ami Angelo Ricci qui était alors à Rome. Ricci était en correspondance avec le P. Mersenne, qui fut ainsi le premier instruit de l'expérience de Torricelli. Le P. Mersenne en fit part à Petit, intendant des fortifications; celui-ci la communiqua à Pascal qui habitait alors Rouen, auprès de son père, intendant de justice et des finances. Pascal répéta l'expérience du physicien de Florence, en la variant diversement, et il en tira cette première conclusion :

« s'il est vrai, comme on le prétend, que la nature abhorre le vide, il n'est pas exact de dire qu'elle ne souffre pas de vide; au contraire cette horreur du vide a des limites; la nature ne fuit pas le vide avec tant d'horreur que plusieurs se l'imaginent.-»
Ces dernières paroles étaient à l'adresse des physiciens de l'école d'Aristote; elles furent vivement relevées par le P. Noël. De là naquit une violente polémique sur l'espace vide que laisse un tube de verre de plus de 32 pieds de longueur, rempli d'eau, ou un tube de plus de 28 pouces, rempli de mercure. En opposition avec Pascal, qui admettait que cet espace est « véritablement vide et destitué de toute matière, » le Père Noël soutenait qu'il est occupé « par l'élément lumineux de l'air subtil  [la lumière passait alors pour un élément de l'air], qui a traversé les pores du verre pour prendre la place du mercure ou de l'eau. » 

Dans sa réponse, Pascal reprochait avec raison à son adversaire d'avoir employé un argument sans valeur. 

« Puisque la nature de la lumière est, lui disait-il, inconnue à vous et à moi, et qu'elle nous demeurera peut-être éternellement inconnue, je vois que cet argument sera longtemps sans recevoir la force qui lui sera nécessaire pour devenir convaincant. »
Cette polémique devint l'occasion de recherches du plus haut intérêt sur ce que l'on appelait alors l'équilibre des liqueurs, c'est-à-dire sur l'hydrostatique. Pascal fit des expériences avec des siphons, avec des seringues, avec des tuyaux de toute longueur, de toute grosseur et de toute forme, remplis de différents liquides, tels que mercure, eau, vin, huile, etc., pour montrer 
« que les liquides pèsent suivant leur hauteur, et qu'un petit filet d'eau tient un grand poids en équilibre. »
Les résultats de ces expériences, où se trouve toute la théorie de la machine hydraulique, parurent en 1647. Dans la même année, Pascal fut averti d'une pensée qu'avait Torricelli, à savoir, que
 « la pesanteur de l'air pouvait bien être, la cause de tous les effets qu'on avait jusqu'alors attribués à l'horreur du vide. »
Il trouva cette pensée, comme il le dit lui-même, tout à fait belle; mais ce n'était encore pour lui qu'une simple conjecture. Dès ce moment la question entra cependant dans une phase nouvelle, décisive. L'idée d'attribuer la cause du phénomène, appelé l'horreur du vide, à la pesanteur de l'air, avait été suggérée à Torricelli par les variations de la hauteur du mercure dans un tube de verre. Cette idée, d'où date l'origine du baromètre, parait remonter à 1644. Mais Torricelli mourut (le 25 octobre 1647) avant de lui avoir donné tous les développements nécessaires.

Dans ses recherches sur l'équilibre des liqueurs, Pascal revient souvent sur ce que les animaux ne sentent pas le poids du liquide où ils se trouvent, 

« non parce que ce n'est que de l'eau qui pèse dessus, mais parce que c'est de l'eau qui les environne de toute part. » 
Cette proposition, il l'appliqua aussi à l'air, dont il sépara, le premier, bien nettement, l'élément physique de l'élément chimique par la définition suivante :
 « J'appelle air ce corps simple ou composé, et dont il ne m'est nécessaire que de savoir qu'il est pesant. »
Puis, revenant à l'idée de Torricelli, il fit le raisonnement suivant sur les expériences qu'il avait exécutées lui-même :
 « Si la pesanteur de l'air est la cause de ces effets, il faudra que ceux-ci soient, proportionnellement, plus grands au pied qu'au sommet des montagnes. Et si cela était démontré, ne serait-il pas ridicule de soutenir que la nature abhorre plus le vide sur les montagnes que dans les vallons? » 
L'argument était irrésistible. Aussi ajouta-t-il en triomphant :
« Que tous les disciples d'Aristote assemblent tout ce qu'il y a de plus fort dans les écrits de leur maître et de ses commentateurs, pour rendre, s'ils le peuvent, raison de ces choses par l'horreur du vide; sinon qu'ils reconnaissent que les expériences sont les véritables maîtres qu'il faut suivre en physique. » 
L'expérience du Puy-de-Dôme.
Partant de là, Pascal fit entreprendre ce qu'il appelait la grande expérience de l'équilibre des liqueurs, l'ascension du Puy-de-Dôme. 
« Et parce qu'il n'y a, écrit-il, que très peu de lieux en France propres à cet effet, et que la ville de Clermont en Auvergne est une des plus commodes, je priai M. Périer, conseiller en la cour des aides d'Auvergne, mon beau-frère, de prendre la peine de l'y faire. »
La lettre qu'il adressa à Périer le 15 novembre 1647 (environ un mois avant la mort de Torricelli) contient un passage curieux qui montre combien il lui en coûtait de renoncer à une ancienne théorie.
« Je n'ose pas encore, dit-il, me départir de la maxime de l'horreur du vide; car je n'estime pas qu'il nous soit permis de nous départir légèrement des maximes que nous tenons de l'Antiquité, si nous n'y sommes obligés par des preuves indubitables et invincibles. Mais, en ce cas, je tiens que ce serait une extrême faiblesse d'en faire le moindre scrupule, et qu'enfin nous devons avoir plus de vénération pour les vérités évidentes que d'obstination pour les opinions reçues. »
Ces paroles peignent d'un trait Pascal, ce génie si cruellement tiraillé en sens contraire par le respect de l'autorité traditionnelle et la voix de la raison. C'est la dernière qui devait ici l'emporter. La grande expérience, comme Pascal l'appelle, fut faite le 19 septembre 1648. Périer établit sa station inférieure dans le jardin des Pères minimes à Clermont, un des lieux les plus bas de la ville. Il s'était muni de deux tubes de verre de même grosseur et de même hauteur (4 pieds), fermés hermétiquement par un bout et ouverts par l'autre. Après les avoir remplis de mercure et renversés sur une cuve contenant le même liquide, il marqua le niveau où s'était arrèlée la colonne de mercure : ce niveau était, dans chaque tube, à 26 pouces 3 lignes 1/2. L'un des tubes, laissé à demeure dans le jardin des Minimes, fut confié aux soins du P. Chatin, 
« qui devait observer de moment en moment pendant toute la journée s'il arriverait du changement. » 

L'autre tube fut porté par Périer sur le Puy-de-Dôme, élevé d'environ 500 toises au-dessus du jardin des Minimes. Le mercure y descendit à 23 pouces 2 lignes. Il y eut donc 3 pouces 1 ligne 1/2 de différence. Le niveau de la colonne de mercure n'avait pas changé dans la station inférieure. Périer répéta l'expérience dans d'autres lieux plus ou moins élevés, et trouva que la hauteur de la colonne était inversement proportionnelle à l'élévation de ces lieux. Il conçut même le projet de dresser une table, 
« dans la continuation de laquelle ceux qui voudraient se donner la peine de le faire, pourraient peut-être arriver à la parfaite connaissance de la juste grandeur du diamètre de toute la sphère de l'air. »
Pascal se réjouit vivement, avec raison, de voir ainsi démontrée une proposition d'abord purement hypothétique. Il voulut cependant lui-même contrôler à Paris les résultats que son beau-frère lui avait envoyés de Clermont. 
« Je fis, dit-il, l'expérience ordinaire du vide au haut et au bas de la Tour de Saint-Jacques de la Boucherie, haute de 24 à 25 toises; je trouvai plus de 2 lignes de différence à la hauteur du vif-argent. Et ensuite je la fis dans une maison particulière, haute de 90 marches, où je trouvai très sensiblement une demi-ligne de différence. »
C'est ainsi qu'il fut mis hors de doute que non seulement l'air est de la matière, mais que tous les effets qu'on avait jusqu'alors, sur l'autorité des péripatéticiens, attribués à l'horreur de la nature pour le vide, proviennent du poids de l'atmosphère. L'opuscule où se trouve exposée cette importante vérité physique a pour titre : Récit de la grande expérience de l'équilibre des liqueurs, projectée par le, sieur B. P. [ = Blaise Pascal], et faite par le sieur F. P. [ = Florin Périer], en une des plus hautes montagnes d'Auvergne; Paris (Charles Savreux), 1648, in-4° de 20 pages. Devenu très rare, cet opuscule reparut avec des augmentations sous le titre de Traité de l'Equilibre des liqueurs et de la Pesanteur de la masse de l'air, etc.; Paris (Guillaume Desprez), 1698, in-12. 

L'expérience du Puy-de-Dôme eut un grand retentissement; elle fut bientôt après répétée, avec le même succès, dans presque tous les pays de l'Europe. A partir de là, l'étude de l'atmosphère suivit deux pistes parallèles. La première concernerait, grâce en particulier, à l'usage des baromètres, une détermination des caractéristiques de l'atmosphère elle-même, sa pression en fonction du lieu, de l'altitude, etc. (La pression atmosphérique); la seconde concernerait les propriétés de l'air, son élasticité, sa compressibilité, sa composition chimique, etc (Les propriétés de l'air).

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