Selon le dicton populaire, la foudre ne tombe jamais deux fois au même endroit. Une croyance largement erronée : les éclairs ont au contraire tendance à réutiliser le même chemin lors de la « décharge » du nuage. Des chercheurs viennent enfin de découvrir pourquoi.

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[EN VIDÉO] Pourquoi étudier les orages depuis l'espace ? Chaque année en France, la foudre tombe environ un million de fois. Elle génère une série de phénomènes mal connus que l’on ne peut observer que depuis l’espace. À partir de 2016, le satellite Taranis devrait nous permettre de mieux les comprendre. Le Cnes nous parle plus en détail de ce projet en vidéo.

Avec 725.000 éclairséclairs en 2018, la France a connu son année la plus orageuse depuis 30 ans. Et si les cibles sont souvent les mêmes, ce n'est pas un hasard. Cela dépend bien entendu du relief : les endroits en hauteur, comme les montagnes, sont les plus touchés, ainsi que tout ce qui forme une pointe susceptible d'attirer la foudrefoudre, comme la flèche d'une église ou un arbrearbre.

Mais il existe une autre raison purement liée à la structure du nuagenuage qui explique pourquoi l'éclair va avoir tendance à réutiliser le même chemin. C'est ce phénomène que vient d'expliquer une équipe de chercheurs internationaux dirigée par l'Université de Groningue aux Pays-Bas, dans une étude publiée dans Nature le 18 avril. Ils ont pour cela utilisé les données du radiotélescoperadiotélescope Lofar à Exloo, qui collecte des milliers d'antennes radioradio dans toute l'Europe du Nord.

Comment se forment les éclairs ?

Petit rappel préliminaire sur la façon dont se forme un éclair. Le cumulonimbuscumulonimbus, nuage qui se forme lors d'un orage, est chargé positivement dans sa partie haute et négativement dans sa partie basse. L'accumulation de charges électriques entraîne une décharge à l'intérieur du nuage ou du bas du nuage vers un relief en pointe au sol chargé positivement. La foudre descend le long d’un traceur, un canal où l'airair est ionisé et qui détermine la région de l'impact.

Après la décharge, il se crée un cône ionisé (<em>sheath</em> en anglais, schéma b) où vont s’accumuler des charges négatives le long de structures appelées aiguilles (<em>needle</em>, schéma c). © <em>Nature</em>
Après la décharge, il se crée un cône ionisé (sheath en anglais, schéma b) où vont s’accumuler des charges négatives le long de structures appelées aiguilles (needle, schéma c). © Nature

Mais ce qu'ont découvert les chercheurs, c'est que la charge négative du nuage orageux n'est pas entièrement déchargée lors de l'éclair. Une partie de l'électricité reste stockée le long d'un champ électriquechamp électrique radial de forme conique où l'air est ionisé. Or, si les électronsélectrons, chargés négativement, sont très mobiles, les ionsions positifs, plus lourds, opposent une plus forte résistancerésistance. Celle-ci favorise la propagation de l'électricité vers l'extérieur et donc un rayon du cônecône plus grand. Il apparaît alors des petits canaux perpendiculaires chargés négativement que les chercheurs ont appelé « aiguilles », et qui mesurent entre 10 et 100 mètres de long et moins de 5 mètres de large.

Cette vidéo montre la progression de la foudre au ralenti (la décharge prend en réalité moins de 0,2 seconde). Les impulsions radio nouvellement formées lors de la décharge sont représentées par les points jaunes clignotants qui s’estompent rapidement pour former des « aiguilles » chargées négativement, le long desquelles vont avoir tendance à se reformer les canaux ionisés. © Université de Groningue

 

Des aiguilles de quelques dizaines de mètres

« Ce phénomène était jusqu'ici invisible, affirme Joe Dwyer, de l'Université du New Hampshire (États-unis) et coauteur de l'article. Mais grâce à notre échelle d'observation inédite, nous avons pu observer pour la première fois d'innombrables aiguilles à l'intérieur de l'éclair ». Lorsque le nuage est « rechargé », les charges négatives accumulées dans les aiguilles vont favoriser la reconstitution du canal ionisé le long duquel la foudre va se former. Ainsi, les éclairs ont tendance à réutiliser le même chemin en quelque sorte « pré-tracé ». Ce phénomène se produit aussi bien pour les éclairs inter-nuage que les éclairs nuage-sol. Bref, mieux vaut changer vite d'endroit si la foudre vient de tomber juste à côté de soi.


Les éclairs produisent des réactions nucléaires

Article de Laurent SaccoLaurent Sacco publié le 28/11/2017

On savait déjà que des éclairs pouvaient parfois produire des photonsphotons gamma et de l'antimatièreantimatière. Or, selon des physiciensphysiciens japonais, ces photons gamma peuvent produire, en plus, des réactions nucléairesréactions nucléaires.

Depuis longtemps, les géophysiciens externes (c'est-à-dire ceux qui s'occupent de la physiquephysique de l'atmosphèreatmosphère ou de la magnétosphèremagnétosphère) savent que des rayons gammarayons gamma peuvent se produire à l'occasion d'éclairs ; ceux-ci sont connus en anglais sous le nom de Terrestrial Gamma-Ray FlashFlash, ou TGF, ce qui signifie « flashs de rayons gamma terrestres ». Nous savons donc que les nuages peuvent parfois se comporter comme des accélérateurs de particules.

Pour comprendre comment cela se produit, il faut savoir que les champs électriques situés dans les nuages peuvent être si intenses qu'ils provoquent l'accélération d'électrons à des vitessesvitesses proches de celle de la lumièrelumière, en direction du haut de l'atmosphère. Ces électrons ionisent les atomesatomes et moléculesmolécules qu'ils heurtent ; ils entraînent avec eux les électrons produits, qui sont accélérés à leur tour. Le résultat final est une production assez importante d'électrons par avalancheavalanche.


Une vidéo sur les TGF détectés par le satellite Fermi. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur la roue dentée à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Nasa Goddard

Des réactions photonucléaires dans les nuages avec des éclairs

Certains de ces électrons passent suffisamment près des noyaux des atomes pour qu'une émissionémission de rayons gamma se produise, selon le processus de Bremsstrahlung, ou « rayonnement de freinage ». Certains photons gamma sont d'ailleurs assez énergétiques pour qu'il y ait production de paires de particules et d'antiparticulesantiparticules, des électrons et des positronspositrons.

Un groupe de physiciens japonais a découvert un nouveau phénomène associé aux TGF en s'aidant d'une campagne de financement participatif. Comme ils l'expliquent dans un article publié dans le journal Nature, ces flashs gamma généreraient aussi des réactions nucléaires, en plus de produire de l'antimatière. Naîtraient ainsi des isotopesisotopes radioactifs de certains noyaux, en l'occurrence de l'azoteazote 13 (13N) et même de l'oxygèneoxygène 15 (15O).

Schéma des différentes réactions nucléaires induites par les électrons accélérés dans les orages. © Teruaki Enoto, université de Kyoto
Schéma des différentes réactions nucléaires induites par les électrons accélérés dans les orages. © Teruaki Enoto, université de Kyoto

D'étonnants flashs gamma

Cette affirmation surprenante est basée sur les mesures que le physicien Teruaki Enoto, de l'université de Kyoto, au Japon, a réalisées avec ses collègues au moyen de quatre détecteurs de rayons gamma. Le 6 février 2017, ces instruments ont observé des flashs gamma étonnants à l'occasion d'un orage.

Au début, il ne s'agissait que de bouffées de quelques centaines de millisecondes après chaque éclair. Il est possible de rendre compte de ces bouffées en supposant que des photons gamma créés au cours de l'orageorage aient heurté des neutronsneutrons dans des noyaux (comme ceux d'azote 14, 14N) au point de les éjecter. Nous savons que ce phénomène se produit très probablement, car, au cours d'autres expériences, des flux de neutrons arrivant au sol en coïncidence avec des flashs gamma ont été observés dans des nuages d'orages. Certains de ces neutrons auraient été capturés ensuite par d'autres noyaux, les conduisant à des états excitésétats excités similaires à ceux produits par des captures d'électrons dans des atomes, car il existe aussi des couches de nucléonsnucléons dans les noyaux. En se désexcitant, ces noyaux ont alors émis des photons gamma, un peu comme une population de noyaux radioactifs se désintégrant.

Toutefois, un second type de signal a été observé ; il suivait les flashs gamma précédents. Son spectrespectre en énergieénergie montre clairement un pic à 0,51 MeV, ce qui, d'ordinaire, s'interprète comme une production de rayons gamma par des annihilations électron-positron. Selon les chercheurs, il n'y aurait pas d'autre façon d'interpréter ces résultats qu'en faisant intervenir encore une autre réaction nucléaire dans laquelle, suite à l'éjection d'un neutron d'un noyau, celui-ci subit rapidement une désintégration bêta. On aurait ainsi, notamment, un noyau d'azote 13 qui se désintégrerait en noyau de carbonecarbone 13 en émettant un positron selon un mode dont la demi-viedemi-vie est de 10 minutes environ. Ainsi, non seulement des orages sont capables de produire de l'antimatière, mais ils seraient capables aussi de produire des réactions photonucléaires.