La foudre est un événement atmosphérique répandu. Par le Met Office au Royaume-Uni, il y a trois millions d’éclairs chaque jour sur Terre, soit environ 44 coups par seconde. Malgré cela, les scientifiques n’ont pas été en mesure de conclure à la forme exacte de la foudre à l’intérieur d’un nuage d’orage. Cela pourrait cependant changer, avec l’aide d’une nouvelle vidéo enregistrée par une équipe de chercheurs.

En 2018, un éclair très important a survolé le réseau de radiotélescopes Low Frequency Array (LOFAR) aux Pays-Bas. Ces télescopes ont réalisé des enregistrements détaillés qui ont été récemment traités. Nouvelle papier à paraître dans la revue Lettres de Recherche Géophysique, décrit ce qui déclenche la foudre.

C’est un peu embarrassant. C’est le processus le plus énergique de la planète, nous avons des religions centrées sur cette chose et nous n’avons aucune idée de son fonctionnement « , a déclaré Brian Hare, chercheur sur lightning à l’Université de Groningue et co-auteur du nouveau document de recherche. « Les gens envoient des ballons, des fusées et des avions dans des orages depuis des décennies et n’ont jamais vu de champs électriques assez grands », a déclaré Joseph Dwyer, physicien à l’Université du New Hampshire et co-auteur du nouvel article. « Cela a été un vrai mystère comment cela se passe. » Dwyer étudie la foudre depuis 20 ans.

Le LOFAR ‘superterp’. Cela fait partie du noyau du télescope étendu situé près d’Exloo, aux Pays-Bas. Photo de LOFAR/ASTRON, utilisée sous CC BY 3.0

Pour un phénomène aussi courant, et qui a été sérieusement étudié pendant des centaines d’années, comment a-t-il fallu si longtemps pour recueillir de bonnes données? Les nuages sont opaques, pour commencer, et même les caméras avancées ont eu du mal à voir à travers les nuages et à assister à la formation de la foudre. Les scientifiques se sont aventurés dans la tempête pour essayer de comprendre. Cependant, « Pendant longtemps, nous ne savons vraiment pas quelles sont les conditions à l’intérieur d’un orage au moment et à l’endroit où la foudre déclenche », a ajouté Dwyer.

Dwyer et le reste de l’équipe ont employé LOFAR. Le réseau de radiotélescopes est généralement utilisé pour étudier les galaxies et les étoiles lointaines, mais il est également bien adapté à l’observation de la foudre. Lorsqu’il y a des orages entendus, LOFAR ne peut pas observer l’espace profond, il est donc réglé pour détecter les impulsions radio qui proviennent des éclairs.

Ce n’est pas la première fois que des détecteurs radio sont utilisés pour observer la foudre, mais LOFAR est à la pointe de la technologie et peut être beaucoup plus rapide, environ 200 fois plus rapide, que les instruments précédemment utilisés. Il peut également cartographier la foudre en trois dimensions. « Les mesures de LOFAR nous donnent la première image très claire de ce qui se passe à l’intérieur de l’orage », a déclaré Dwyer.

Lorsqu’un éclair se forme, il produit des millions d’impulsions radio. Pour transformer cette énorme collection de données provenant de milliers d’antennes LOFAR en une image 3D, des algorithmes sophistiqués ont été nécessaires. Après avoir analysé les données d’août 2018, l’équipe a déterminé que les impulsions radio soutenaient l’une des deux principales théories sur la formation de types courants de foudre. Les nouvelles observations soutiennent l’idée que la foudre commence par des cristaux de glace à l’intérieur du nuage. Comme Quanta Magazine le met, « Cela commence par des amas de cristaux de glace à l’intérieur du nuage. Les collisions turbulentes entre les cristaux en forme d’aiguille éliminent certains de leurs électrons, laissant une extrémité de chaque cristal de glace chargée positivement et l’autre chargée négativement. L’extrémité positive attire les électrons des molécules d’air voisines. Plus d’électrons s’écoulent des molécules d’air qui sont plus éloignées, formant des rubans d’air ionisé qui s’étendent de chaque pointe de cristal de glace. Ceux-ci sont appelés banderoles.’

Chaque pointe de cristal produit des « hordes de banderoles », et ces banderoles continuent de se ramifier à plusieurs reprises. Les serpentins chauffent l’air environnant, qui tire ensuite les électrons des molécules d’air, et donc un courant plus important circule vers les cristaux de glace. Lorsqu’un streamer devient suffisamment chaud et conducteur, il devient un leader, le long duquel la foudre peut voyager. Vous trouverez ci-dessous un GIF animé des données enregistrées avec le tableau:

« C’est ce que nous voyons », a déclaré Christopher Sterpka, le premier auteur du nouvel article. « Après l’arrêt de l’avalanche, nous voyons un chef de foudre à proximité.’

Étonnamment, il y a un peu de chevauchement entre la recherche sur la foudre et COVID. Observations récentes cette activité de foudre a chuté de plus de 10% au cours des premiers mois de la pandémie en cours. Les chercheurs pensent que cela est dû au confinement, car les gens voyageaient moins et qu’il y avait moins de polluants dans l’atmosphère, ce qui réduisait les sites de nucléation possibles pour les cristaux de glace.

La nouvelle recherche n’a pas dissuadé tous les scientifiques de croire à une théorie rivale selon laquelle les rayons cosmiques de l’espace entrent en collision avec des électrons à l’intérieur des orages. Peut-être que les rayons cosmiques jouent encore un rôle.

Ute Ebert, physicienne à l’Université de technologie d’Eindhoven aux Pays-Bas, étudie l’initiation de la foudre mais n’a pas participé à la nouvelle étude. Elle note que malgré les données à haute résolution fournies par LOFAR, le nouvel article ne montre pas de cristaux de glace ionisant l’air environnant. D’où vient le premier électron ? Comment la décharge commence-t-elle près d’une particule de glace? »Il y a aussi la question de savoir précisément comment les streamers se transforment en leaders. Les banderoles deviennent chaudes et conductrices, mais la série exacte d’événements n’est pas réglée.