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L'extrême en vidéo : le mystère de la foudre en boule résolu

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Ce n'est ni une météorite, ni une comète, ni quelque objet solide. Parfois, on peut apercevoir dans le ciel une sorte de boule de feu qui se déplace seule dans l'air, horizontalement ou verticalement, disparaissant au bout de quelques secondes. Cette semaine, L'extrême en vidéo décrypte le mystère de ces sphères de feu qui ont inspiré à Hergé un épisode des aventures de Tintin dans l'album Les sept boules de cristal.

Les éclairs sont en général classés en deux catégories : les éclairs intranuages et les éclairs nuage-sol. Ces derniers caractérisent la foudre, qui peut générer des sortes de boules de feu dans l'air dans certaines conditions. © Dan-Newson, Flickr, cc by nc 2.0

Cela fait des millénaires que le phénomène est observé et pourtant, jusqu'à il y a peu, on n'en connaissait pas l'origine. La foudre en boule embrase le ciel le plus souvent durant un orage, mais parfois un seul éclair suffit à la faire apparaître. L'événement est si rare et si éphémère qu'il est presque impossible de l'observer, le filmer et l'étudier en même temps. Mais voilà que, comme souvent dans la science, le hasard a enfin permis de lever le voile sur ce grand mystère de la physique, dont voici un exemple en vidéo.

Cette foudre en boule a été observée le 2 avril 2012 à La Nouvelle-Orléans, aux États-Unis. Elle s'est formée durant une importante tempête orageuse. © Crazyweathernews, YouTube

La vidéo décryptée : la poussière au sol provoque la foudre en boule

La durée de vie de la foudre en boule est courte : en étudier directement l'origine relevait de l'impossible, puisque sa formation est imprévisible. Depuis des siècles, les théories, basées uniquement sur des témoignages, fusent. Proviendrait-elle de météorites chargées électriquement ? Serait-ce un mirage induit par les variations du champ magnétique durant les orages ? Des chercheurs de la Northwestern Normal University de Lanzhou, en Chine, suggèrent que l'origine de sa formation est beaucoup plus rationnelle : elle résulterait de la vaporisation de la poussière au sol.

C'est par un heureux hasard que l'équipe dirigée par le physicien Jianyong Cen a pu filmer, durant 1,3 seconde seulement, une immense sphère lumineuse d'environ 5 m de diamètre, se déplaçant à 8,6 m/s. La scène s'est produite durant un gros orage en 2012 dans le Qinghai, une région du nord-ouest du pays. L'équipe avait des caméras et un spectrographe haute définition. Durant l'orage, la foudre a frappé le sol, d'où est née une foudre en boule qui aura parcouru près de 15 m avant de disparaître. Les résultats du spectrographe sont discutés dans les Physical Review Letters.

Réalisée par l’équipe de Jianyong Cen, cette vidéo dure 1,3 seconde en temps réel. Elle est ici ralentie pour montrer l'évolution de la couleur, de la luminosité et du spectre associé de la foudre en boule. © Duncan Geere, YouTube

L'analyse spectrographique de la foudre en boule révèle que les principaux éléments qui la constituent sont en réalité les mêmes que ceux que l'on trouve dans la poussière du sol, à savoir le silicium, le fer et le calcium. L'équipe de Jianyong Cen explique que ces observations confirment une théorie d'abord avancée par John Abrahamson en 2006. Il supposait qu'une boule se formait lorsque la foudre frappait le sol. La chaleur apportée par celle-ci est capable de vaporiser l'oxyde de silicium, ou silice (SiO2), qu'il contient. La puissance de l'impact peut générer une onde de choc, qui envoie l'oxyde de silicium vaporisé dans l'atmosphère. Si la terre devient assez chaude pour être vaporisée, le carbone du sol réduit le SiO2, séparant ainsi les atomes d'oxygène du silicium. L'air est toutefois riche en oxygène : le silicium s'oxyde donc rapidement.

L’après-vidéo : trop d'intensité lumineuse pour l'oxygène et l'azote

Les raies d'émission de la foudre globulaire montrent clairement des pics pour le silicium, le calcium et le fer, les principaux éléments contenus dans la poussière. Cette observation appuie l'hypothèse d'Abrahamson, mais curieusement, durant l'événement, Jianyong Cen et son équipe ont enregistré une fluctuation de l'intensité lumineuse au rythme de 100 Hz pour l'oxygène et l'azote. Il n'y a, à ce jour, pas d'explication pour une telle variation, si ce n'est que la boule s'est formée à proximité de lignes électriques de 50 Hz. Ces dernières auraient donc pu modifier l'intensité lumineuse de la boule.

Ce spectre d’émission de la foudre en boule a été tracé à partir des données fournies dans la publication scientifique de Jianyong Cen. Les pics d'émission sont annotés : on remarque ceux du silicium, du fer, du calcium, de l'azote et de l'oxygène. L’axe vertical représente l’intensité lumineuse (%) et l’axe horizontal la longueur d'onde (nm). © Olli Niemitalo, Wikipédia, DP

Par ailleurs, la foudre en boule mesurait 5 m de diamètre, ce qui est étonnamment grand comparé aux boules observées précédemment. Ces deux remarques réunies empêchent les physiciens de caractériser cette boule comme foudre en boule avec certitude. Néanmoins, il est très probable, compte tenu des résultats, que ce soit le cas. S'il s'agit bien d'une foudre globulaire, l'enregistrement des caractéristiques optiques et spectrales obtenues par cette équipe est capital : il permettrait de développer un modèle de formation des foudres en boule dans un futur proche.