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Formation de la foudre : découverte d'étonnants nuages de positrons

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Quels sont les phénomènes qui se cachent derrière la formation de la foudre ? Des modèles ont été proposés mais la question n'a toujours pas trouvé de réponse. La découverte de nuages de positrons au cœur d'un orage pourrait apporter un nouvel éclairage. Cette observation est cependant surprenante puisque l'émission de rayonnements gamma censée résulter de la collision entre électrons et positrons n'est apparue que plus tard.

La foudre est l’une des manifestations les plus spectaculaires d’un orage. Des scientifiques américains ont découvert au sein d’un nuage d’orage un étrange phénomène de concentration de positrons qui pourrait expliquer les mécanismes de formation des éclairs. © Marc Biarnès, Flickr, CC by-nc 2.0

Embarquée à bord d'un avion du Centre national pour la recherche atmosphérique, une équipe de chercheurs américains de l'université du New Hampshire (UNH), de l'université de Californie, à Santa Cruz, et du Florida Tech a fait une découverte inattendue. Pris dans un violent orage, les physiciens ont en effet pu observer la formation, autour de leur avion, d'un important nuage de positrons. Le nombre de ces antiparticules a subitement augmenté d'un facteur 10. Selon Joseph Dwyer, un spécialiste de l'étude de la foudre à l'UNH, ce phénomène est tout à fait déroutant. L'équipe n'a pas pour l'instant d'explication à proposer.

Rappelons que le positron est l'antiparticule associée à l'électron. Positrons et électrons sont semblables mais de charges opposées. Lorsqu'ils entrent en collision, ils s'annihilent en émettant des rayons gamma. En général donc, l'observation de positrons coïncide avec l'observation d'un rayonnement gamma. Or, les chercheurs américains ont bien observé un nuage de positrons et même un second, quelques kilomètres plus loin, mais les rayons gamma n'ont été observés que plus tard. De quoi laisser les physiciens perplexes.

L'orage est l'un des phénomènes météorologiques les plus spectaculaires. En son cœur règnent des conditions extrêmes. Si la formation, la structure et l'évolution des orages sont aujourd'hui bien connues, les mécanismes à l'origine de la formation d'un épisode de foudre, par exemple, ne sont toujours pas clairement identifiés. Les orages naissent au sein de nuages que l'on nomme les cumulonimbus. Il s'agit de nuages gigantesques qui peuvent contenir plusieurs millions de tonnes d'eau sous forme liquide ou de glace. Des nuages qui, pour se maintenir, doivent aspirer quelque 700.000 tonnes d'air par seconde soit pas loin de 600.000 tonnes de vapeur d'eau par minute. Ces chiffres nous aident à mieux comprendre pourquoi les cumulonimbus sont le siège de tant de collisions entre gouttes d'eau, grêlons et cristaux de glace. Ces collisions créent en effet les charges électrostatiques responsables de la formation des éclairs.

La collision entre électrons et positrons entraîne l’annihilation des particules et l’émission de rayonnements gamma. © JabberWok, Wikipedia

Une décharge de type dark lightning ?

Selon quel schéma un éclair se forme-t-il ? Plusieurs modèles théoriques s'affrontent. Certains, plutôt simples, répartissent les charges électrostatiques en deux couches : les charges positives, plus légères, se concentrent dans les cristaux de glace au sommet du nuage et les charges négatives, plus lourdes, se concentrent dans les gouttes d'eau situées dans les parties inférieures du nuage. Mais, pour d'autres, le phénomène serait bien plus complexe qu'il n'y parait. Les charges électrostatiques se répartiraient en plusieurs couches de polarités opposées au cœur du cumulonimbus. Finalement, c'est la différence de potentiel qui existe entre les différentes parties du nuage et le sol qui engendre une décharge électrique et l'apparition de la foudre.

Pour revenir à l'étude menée par l'équipe américaine, celle-ci a écarté l'idée que l'environnement électrique au cœur de l'orage ait pu être fondamentalement modifié par la présence de l'avion. En revanche, même si cette solution ne semble pas non plus totalement satisfaisante, peut-être leur observation est-elle la trace laissée par une décharge exotique baptisée dark lightning (foudre noire). Lors de ce type de décharge, des particules à hautes énergies sont accélérées à des vitesses proches de celle de la lumière et produisent des positrons.

Quoi qu'il en soit, les observations de cette équipe de chercheurs apportent un éclairage nouveau sur les mécanismes à l'origine de la charge et de la décharge des nuages orageux. Mais pour l'heure, cette découverte semble surtout compliquer encore un peu plus les choses car les observations réalisées ne s'accordent pas avec les modèles en cours de développement.