Le débat électrisant sur l’origine de la foudre

Avec de nombreux autres phénomènes naturels, la foudre est probablement familière à la plupart. Entre son bruit intense et ses visuels, il y a aussi très peu de désaccord sur le fait que se faire frapper par un coup de foudre est une mauvaise chose, que vous soyez un humain charnu, une plante remplie d’humidité ou une machine conductrice. Il est donc plus qu’un peu étrange que la cause sous-jacente de la foudre, et ce qui fait que certains nuages ​​produisent ces tensions intenses le long des molécules d’air ionisées, soit toujours une question scientifique ouverte.

Beaucoup d’entre nous ont probablement appris à un moment donné la théorie la plus populaire sur la formation de la foudre, à savoir que la foudre est causée par des particules de glace dans les nuages. Ces particules de glace interagissent pour accumuler une charge, un peu comme dans un condensateur. Le seul problème avec cette théorie est que ce processus à lui seul ne créera pas un potentiel suffisamment grand pour ioniser l’air entre lesdits nuages ​​et le sol et provoquer la foudre, laissant cette théorie en lambeaux.

Une étude récente, utilisant des données de radiotélescopes terrestres, a peut-être maintenant fourni des détails fascinants sur la formation de la foudre et sur la façon dont la charge peut s’accumuler suffisamment pour que les créatures terrestres se précipitent vers la sécurité lorsque des nuages ​​​​sombres se rapprochent.

Suivez les streamers

L'effet triboélectrique, démontré par un chat et des cacahuètes en polystyrène.  (Crédit : Sean McGrath)
L’effet triboélectrique, démontré par un chat et des cacahuètes en polystyrène. (Crédit : Sean McGrath)

La façon la plus succincte de résumer la foudre est probablement comme une « très grosse étincelle ». Comme toute étincelle, cela nécessite l’accumulation d’un potentiel au point où le milieu diélectrique entre le potentiel et une cible tombe en panne. Dans le cas de l’air comme milieu diélectrique, cela implique la décomposition des molécules d’air, à environ 2 MV/m, en plasma électriquement conducteur en arrachant les électrons des atomes. Une fois qu’il y a une piste plasma, le reste de la charge est libre de se décharger ; lors de la décharge ultérieure lors d’un coup de foudre, une énergie de l’ordre d’un gigajoule est transférée.

Pour accumuler cette charge, l’effet triboélectrique est censé être principalement impliqué. Alors que le graupel plus lourd (grêle molle) reste principalement stationnaire à l’intérieur du nuage, les courants ascendants transportent des cristaux de glace plus légers et des gouttelettes super refroidies entre le graupel, ce qui entraîne l’interaction physique qui sous-tend l’effet de charge triboélectrique.

Comme indiqué précédemment, la charge résultante qui s’accumule à l’intérieur d’un nuage d’orage de cette manière n’est pas suffisante en elle-même pour provoquer un flux de foudre avec le sol. Cela a pendant des siècles laissé ouverte la question de savoir ce qui déclenche l’accumulation d’un tel effondrement. Une théorie ici est celle de l’avalanche d’électrons emballement relativiste (RREA), avec une explication détaillée fournie par Gurevich et al. (2005) dans La physique aujourd’hui (PDF).

Interaction entre la montée des cristaux de glace et le graupel (grêle molle) dans les nuages ​​orageux.  (Crédit : NOAA)
Interaction entre la montée des cristaux de glace et le graupel (grêle molle) dans les nuages ​​orageux. (Crédit : NOAA)

La version courte de cette théorie est que les électrons relativistes de l’extérieur de l’atmosphère sont le déclencheur de la charge d’initiation soudaine d’un coup de foudre. Comme les électrons qui existent à l’intérieur du nuage à ce point sont des électrons thermiques (« lents »), cela fournirait l’impulsion qui déclencherait la formation de streamers auto-répliquants.

Les streamers sont le signe observable le plus clair d’un coup de foudre en cours : ce sont des événements d’ionisation provoqués par la décomposition des molécules d’air dans un plasma. Cela fournit non seulement un chemin électrique pour la charge stockée, mais provoque également la libération d’un rayonnement électromagnétique. S’il y a suffisamment d’électrons libres pour poursuivre l’ionisation de l’air environnant, le streamer se propagera, avec finalement la formation d’une surtension de tête.

C’est ce chef qui forme la ligne lumineuse claire dans un coup de foudre, précédé et entouré de banderoles.

Illuminé comme un sapin de Noël

Orage dans le désert de Mojave.  (Crédit : Jessie Eastland)
Orage dans le désert de Mojave. (Crédit : Jessie Eastland)

S’il y a une propriété des nuages ​​qui les rend gênants lorsqu’il s’agit d’observer la formation de la foudre, c’est qu’ils sont opaques à la plupart des types d’observations. Que nous envoyions des ballons avec des caméras, pilotions des avions ou traversions des orages, le problème demeure que nous ne pouvons pas voir beaucoup de ce qui se passe à l’intérieur des nuages. La principale exception à cela est dans le spectre RF, où les orages sont exceptionnellement visibles.

Comme mentionné par Gurevich et al., pendant les orages, des événements RF appelés impulsions bipolaires étroites d’environ 5 μs sont courants, ainsi que des sursauts de rayons X pouvant durer jusqu’à une minute. Ces événements s’ajoutent à l’émission de sursauts gamma (0,05 MeV – 10 MeV) qui se produisent entre 500 et 600 km d’altitude. Pour Gurevich et al. ces événements hautement énergétiques indiquaient fortement que des électrons relativistes jouaient un rôle dans l’allumage de la foudre.

En raison des difficultés susmentionnées à voir réellement à l’intérieur des nuages, tout cela était basé sur des observations principalement dans le spectre radio, jusqu’à ce qu’une tentative en 2018 du radiotélescope néerlandais Low-Frequency Array (LOFAR) ait permis d’imager la formation d’un éclair. grève dans l’espace 3D. Comme son nom l’indique, LOFAR se compose d’un réseau de radiotélescopes distribués, avec un noyau aux Pays-Bas et ensuite distribués dans toute l’Europe.

En utilisant la partie néerlandaise du réseau, il a été possible d’utiliser le délai des événements RF observés pendant un orage aux différentes parties du réseau pour former une image des événements au fur et à mesure qu’ils se développaient. Cela a permis à Sterpka et al. pour créer l’hypothèse suivante basée sur ces observations.

Croquis du processus d'initiation proposé basé sur des observations.  (Crédit : Sterpka et al.)
Croquis du processus d’initiation proposé basé sur des observations. (Crédit : Sterpka et al.)

Ce qu’ils ont découvert, c’est que, plutôt qu’un déclencheur externe, le processus commence (a) avec un seul streamer positif (b), qui crée le champ VHF initial (c). Le panneau du milieu décrit une cascade d’avalanches de banderoles, chaque banderole produisant plus de banderoles, créant le champ VHF de plus en plus fort, que l’équipement LOFAR a capturé. Enfin, le panneau de droite montre la formation d’un leader (h).

Sterpke et al. proposent que les impulsions bipolaires étroites observées lors de l’événement d’initialisation soient dues à la panne d’air vierge ou similaire, qui constitue une condition préalable à l’initiation de la foudre. La découverte la plus intéressante est peut-être qu’un système de banderoles semble avoir des propriétés très différentes d’une banderole individuelle, ce qui pourrait jouer un rôle important dans la formation de la foudre.

Science flashy

Une fulgurite d'Okechoobee en Floride.  (Crédit : Mario Hendriks)
Une fulgurite d’Okechoobee en Floride. (Crédit : Mario Hendriks)

Fait intéressant, la foudre est un phénomène qui n’affecte pas seulement le présent, mais aussi le passé. Lorsque la foudre frappe le sol, elle peut provoquer la formation de fulgurites (du latin fulgur, signifiant ‘foudre’). Il s’agit d’un type de minéraloïde formé par la fusion de grains minéraux, qui suit la forme du coup de foudre responsable de sa formation. Dans un canal de foudre, les températures peuvent dépasser 30 000 Kelvin.

Plus qu’une simple curiosité, les fulgurites sont un indicateur paléoenvironnemental inestimable, nous donnant une idée de ce qu’était le climat, y compris la fréquence des éclairs, dans une région. Cela fait partie du domaine du paléofoudre. Parallèlement à la preuve du rôle que la foudre a pu jouer lors de la formation de la vie sur Terre (par exemple l’expérience Miller-Urey), la foudre joue un rôle dans la fixation de l’azote.

Une autre découverte intéressante, plus récente, est venue lors de la pandémie de SRAS-CoV-2 et des shutdowns de 2020. À savoir celle de la corrélation entre la pollution et la fréquence des éclairs. Cela serait vraisemblablement dû à la pollution anthropique fournissant par exemple de fines particules de poussière qui forment un noyau pour la formation de glace à l’intérieur des nuages.

Espérons qu’au cours des prochaines années, nous découvrirons plus de détails sur ce qui fait fonctionner la foudre, ainsi que sur ce qui affecte la formation des cumulonimbus. Avec des réseaux de radiotélescopes plus raffinés comme le Square Kilometre Array (SKA) mis en ligne, il se peut qu’ils puissent nous donner plus d’aperçus de ce phénomène qui fascine les cultures humaines depuis la nuit des temps.

Tout en étant un risque évident pour la vie et les biens, la foudre reste l’une des forces primordiales qui a façonné la biosphère de la Terre, et continue de le faire à ce jour. Même si nous admirons sa beauté à une distance (espérons-le) sûre, il nous incombe peut-être de reconnaître à quel point nous en savons peu sur elle et sur la physique des hautes énergies qui la sous-tend.