Ils sont assez courants lors d'orages, mais presque impossibles à observer : parfois, des sortes de jets très énergétiques partent du haut du cumulonimbus vers l'ionosphère. Faisant partie de ce qu'on appelle les phénomènes transitoires lumineux (TLE), ils sont très difficiles à capturer et donc à caractériser. Dans une étude récente, des chercheurs y sont parvenus.

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Lors d'oragesorages violents, des éclairs se dirigent parfois vers le haut et viennent chatouiller l'ionosphèreionosphère, à près de 80 kilomètres d'altitude. On les surnomme les « jets bleus ». Dans des cas encore plus rares, ces jets se trouvent être bien plus gigantesques que les autres. Alors qu'ils sont particulièrement difficiles à détecter, dans une étude parue dans la revue Science Advances, des chercheurs ont bénéficié d'un coup du destin et sont allés jusqu'à cartographier un tel événement ! La décharge électrique s'est produite dans l'Oklahoma où un jet a été capturé par un photographe amateur.

Le géostationnaire <em>Lightning Mapper</em> du satellite <a href="https://www.nesdis.noaa.gov/news/noaa-goes-east-satellite-captures-the-first-images-space-of-gigantic-jet-lightning" target="_blank">NOAA</a> <em>GOES East</em> (GOES-16) a capturé des images d'un de ces jets gigantesques en 2018. © NOAA
Le géostationnaire Lightning Mapper du satellite NOAA GOES East (GOES-16) a capturé des images d'un de ces jets gigantesques en 2018. © NOAA

Or, il se trouve que, près de ce lieu, se trouvaient deux radars météorologiques et des satellites environnementaux géostationnaires de la NOAA. Grâce aux données recueillies par ces instruments, l'équipe a pu rassembler suffisamment de données pour caractériser le jet.

C'est probablement la première fois qu'un jet gigantesque est cartographié en trois dimensions au-dessus des nuages

« Le fait que le jet gigantesque ait été détecté par plusieurs systèmes, dont le Lightning Mapping Array et deux instruments de foudrefoudre optique géostationnaires, a été un événement unique et nous donne beaucoup plus d'informations sur les jets gigantesques », s'est enthousiasmé Doug Mach, coauteur de l'étude et membre de l'Universities Space Research Association (USRA).

« Plus important encore, c'est probablement la première fois qu'un jet gigantesque est cartographié en trois dimensions au-dessus des nuages ​​avec l'ensemble d'instruments Geostationary Lightning Mapper (GLM). »

Il transporte 100 fois plus de charge électrique qu'un éclair normal

Au total, les chercheurs ont mesuré que le jet a envoyé près de 300 coulombscoulombs de charge électrique dans l'ionosphère, alors qu'un éclair classique entre le nuage et le sol ou intra-nuage transporte habituellement moins de 5 coulombs. Le processus ressemble toutefois : une charge négative contenue dans le nuage est transférée vers l'extérieur, si ce n'est que, dans le cas d'un jet, c'est par un courant de plusieurs milliers d'ampèresampères (un ampère correspondant à un coulomb par seconde).

Mais comment se forment-ils ? Dans leur étude, les chercheurs ont remarqué que « la plupart des jets gigantesques émanaient d'environnements tropicaux maritimes, généralement au-dessus de l'océan et à de basses latitudeslatitudes, pendant la saisonsaison des ouragans lorsque les températures de surface de l'océan sont chaudes. Les orages parents ont généralement de hauts sommets nuageux (15 à 18 km d'altitude), dépassant souvent la tropopause, ce qui est une caractéristique de la convectionconvection sévère ».

Reconstitution du nuage d'orage et de l'emplacement où le jet est parti. En A, la température, en B la réflectivité des radars qui indique les précipitations, et en C la densité de foudre de l'environnement associé au jet. Une case correspond à 2 km sur 2 km. © Boggs et <em>al.</em>, Sci. Adv.
Reconstitution du nuage d'orage et de l'emplacement où le jet est parti. En A, la température, en B la réflectivité des radars qui indique les précipitations, et en C la densité de foudre de l'environnement associé au jet. Une case correspond à 2 km sur 2 km. © Boggs et al., Sci. Adv.

Ensuite, selon eux, quelque chose bloquerait le flux de charge qui s'écoule vers le bas ou au sein du nuage d'orage. Pas d'autre choix que d'évacuer vers le haut dans ce cas. Ils ont en effet noté une diminution de la foudre quelques minutes avant la gigantesque décharge vers le haut. « Pour une raison quelconque, il y a généralement une suppression des décharges nuage-sol », a expliqué Levi Boggs, premier auteur de l'étude et chercheur au Georgia Tech Research Institute (GTRI).

« Il y a une accumulation de charge négative, puis nous pensons que les conditions au sommet de la tempête affaiblissent la couche de charge la plus élevée, qui est généralement positive. En l'absence des décharges de foudre que nous voyons normalement, le jet gigantesque peut soulager l'accumulation de charges négatives excessives dans le nuage ».

Des microstructures au sein des jets gigantesques

Au sein du jet que les chercheurs ont caractérisé, ils ont séparé différentes parties, similaires à celles de la foudre classique : une bande principale appelée leader se trouvant à une température de près de 4.500 °C et ionisant l'oxygène et l'azoteazote environnants, et à ses extrémités, plusieurs petites banderoles de plasma froides (appelées streamers dans l'article) à environ 200 °C et ionisant seulement l'azote.

« Les données détaillées ont montré que ces streamers froids commencent leur propagation juste au-dessus du sommet du nuage, a expliqué L.Boggs. Ils se propagent jusqu'à l'ionosphère inférieure à une altitude de 50 à 60 miles (environ 80-90 km), établissant une connexion électrique directe entre le sommet des nuages ​​et l'ionosphère inférieure, qui est le bord inférieur de l'espace. »

Mais aussi, les antennes radioradio environnantes ont capté des signaux à très haute fréquence (VHFVHF), que les chercheurs ont tenté de comprendre. Les données ont ainsi montré qu'au fur et à mesure que la décharge monte au sommet du nuage, puis vers l'ionosphère, ces signaux haute fréquence sont détectés à des altitudes allant de 22 à 45 kilomètres. À l'inverse, les signaux optiques des éclairs se trouvent plutôt entre 15 et 20 kilomètres.

La surface 3D en vert représente l'écho radar de 30 dBZ pour quatre balayages de volume consécutifs du radar KFDR (Frederick, OK, USA). Les points noirs sont les émissions très haute fréquence de la fuite initiale vers le haut, les points blancs représentent la région de charge positive supérieure (indiquée par une flèche) et les points orange proviennent de la décharge lorsqu'elle monte vers l'ionosphère. Le plan gris représente le sommet du nuage. © Boggs et <em>al.</em>, Sci. Adv.
La surface 3D en vert représente l'écho radar de 30 dBZ pour quatre balayages de volume consécutifs du radar KFDR (Frederick, OK, USA). Les points noirs sont les émissions très haute fréquence de la fuite initiale vers le haut, les points blancs représentent la région de charge positive supérieure (indiquée par une flèche) et les points orange proviennent de la décharge lorsqu'elle monte vers l'ionosphère. Le plan gris représente le sommet du nuage. © Boggs et al., Sci. Adv.

Les signaux radio captés correspondent donc plutôt aux streamers, les banderoles de plasma froides, qui se trouvent à la pointe de la foudre. « Les signaux VHF et optiques ont définitivement confirmé ce que les chercheurs avaient soupçonné mais pas encore prouvé : la radio VHF de la foudre est émise par de petites structures appelées banderoles qui se trouvent à la pointe de la foudre en développement, tandis que le courant électriquecourant électrique le plus fort circule de manière significative derrière celle-ci, pointe dans un canal électriquement conducteur appelé un leader », a déclaré Steve Cummer, coauteur de l'étude et professeur de génie électrique et informatique à l'Université Duke.

Ces émissionsémissions radio provenant des jets posent des problèmes pour le fonctionnement des satellites en orbiteorbite basse, voire même pour celui des radars trans-horizon, qui utilisent aussi les ondes radio. En comprenant mieux la physiquephysique qui se déroule au sein de ces phénomènes transitoires lumineux extrêmes, les chercheurs espèrent pouvoir protéger ces appareils à l'avenir.