Des images détaillées révèlent enfin ce qui déclenche la foudre

Dwyer et son équipe se sont donc tournés vers le Low Frequency Array (LOFAR), un réseau de milliers de petits radiotélescopes principalement situés aux Pays-Bas. LOFAR regarde généralement les galaxies lointaines et les étoiles qui explosent. Mais selon Dwyer, « il se trouve que cela fonctionne aussi très bien pour mesurer la foudre. »

Lorsque les orages passent au-dessus de nos têtes, il n’y a pas grand-chose d’astronomie utile que LOFAR peut faire. Au lieu de cela, le télescope règle ses antennes pour détecter un barrage d’environ un million d’impulsions radio émanant de chaque éclair. Contrairement à la lumière visible, les impulsions radio peuvent traverser des nuages ​​épais.

L’utilisation de détecteurs radio pour cartographier la foudre n’est pas nouvelle ; des antennes radio spécialement conçues ont longtemps observé des tempêtes au Nouveau-Mexique. Mais ces images sont en basse résolution ou seulement en deux dimensions. LOFAR, un télescope astronomique de pointe, peut cartographier l’éclairage à une échelle mètre par mètre en trois dimensions, et avec une fréquence d’images 200 fois plus rapide que les instruments précédents ne pouvaient atteindre. « Les mesures LOFAR nous donnent la première image vraiment claire de ce qui se passe à l’intérieur de l’orage », a déclaré Dwyer.

Un éclair qui se matérialise produit des millions d’impulsions radio. Pour reconstruire une image de foudre en 3D à partir du fouillis de données, les chercheurs ont utilisé un algorithme similaire à celui utilisé lors des alunissages d’Apollo. L’algorithme met continuellement à jour ce que l’on sait de la position d’un objet. Alors qu’une seule antenne radio ne peut indiquer que la direction approximative du flash, l’ajout de données à partir d’une deuxième antenne met à jour la position. En boucle régulièrement dans des milliers d’antennes de LOFAR, l’algorithme construit une carte claire.

Lorsque les chercheurs ont analysé les données de l’éclair d’août 2018, ils ont constaté que les impulsions radio émanaient toutes d’une région de 70 mètres de large au plus profond du nuage orageux. Ils ont rapidement déduit que le schéma des impulsions étayait l’une des deux principales théories sur la façon dont le type d’éclair le plus courant se déclenche.

Une idée soutient que les rayons cosmiques – des particules de l’espace extra-atmosphérique – entrent en collision avec des électrons à l’intérieur des orages, déclenchant des avalanches d’électrons qui renforcent les champs électriques.

Les nouvelles observations pointent vers la théorie rivale. Cela commence par des amas de cristaux de glace à l’intérieur du nuage. Des collisions turbulentes entre les cristaux en forme d’aiguille balayent certains de leurs électrons, laissant une extrémité de chaque cristal de glace chargée positivement et l’autre négativement. L’extrémité positive attire les électrons des molécules d’air voisines. Plus d’électrons affluent des molécules d’air qui sont plus éloignées, formant des rubans d’air ionisé qui s’étendent de chaque pointe de cristal de glace. C’est ce qu’on appelle des streamers.

LOFAR, un vaste réseau de radiotélescopes principalement situés aux Pays-Bas, enregistre la foudre lorsqu’il ne fait pas d’astronomie.Photographie : LOFAR/ASTRON

Chaque pointe de cristal donne naissance à des hordes de banderoles, les banderoles individuelles se ramifiant encore et encore. Les streamers chauffent l’air environnant, arrachant en masse les électrons des molécules d’air, de sorte qu’un courant plus important circule sur les cristaux de glace. Finalement, une banderole devient suffisamment chaude et conductrice pour se transformer en un leader – un canal le long duquel une séquence d’éclairs à part entière peut soudainement se déplacer.

« C’est ce que nous voyons », a déclaré Christopher Sterpka, premier auteur du nouveau document. Dans un film montrant le déclenchement du flash que les chercheurs ont réalisé à partir des données, les impulsions radio augmentent de façon exponentielle, probablement à cause du déluge de streamers. « Après l’arrêt de l’avalanche, nous voyons un chef de foudre à proximité », a-t-il déclaré. Ces derniers mois, Sterpka a compilé plus de films d’initiation à la foudre qui ressemblent au premier.