Foudre : Déclenchement
FOUDRE
Déclenchement de la Foudre
Déclenchement de la Foudre
1. Champ électrique découvert
Depuis les recherches de Benjamin Franklin au XVIIIe siècle, et sa célèbre expérience du cerf-volant, nous savons que la foudre est liée à l’électricité statique accumulée dans l’orage, qui génère un champ électrique. Il faut toutefois attendre le début du XXe siècle, avec le développement de la photographie, pour que l’on commence à comprendre les mécanismes physiques de l’éclair et la propagation de son canal électrique sous forme de traceurs. Ce n’est qu’à partir des années 1960 que la compréhension de la nature, du fonctionnement et de la diversité des orages producteurs de foudre progresse réellement, grâce aux images satellites et aux radars. Enfin, à partir des années 1970, les expériences de ballons-sondes et de déclenchement de la foudre par fusée-fil permettent de mesurer beaucoup plus précisément les champs électromagnétiques, les courants et certaines conditions physiques à l’intérieur de la décharge (voir mon article sur l’Histoire de la Foudre).
Durant ces deux siècles de recherches, la question essentielle a toujours été la même : qu’est-ce qui déclenche réellement la foudre ? Qu’est-ce qui amorce la décharge électrique initiale ? Comment, à partir d’un champ électrostatique généré par un cumulonimbus, une décharge aussi puissante peut-elle se former ? Qu’est-ce qui détermine le lieu et le moment où la foudre va apparaître, et qu’est-ce qui permet à l’orage de produire localement un champ électrique suffisant pour l’amorcer ? Répondre à ces questions permettrait, en théorie, de mieux prévoir où et quand la foudre peut tomber. L’enjeu scientifique est donc majeur, avec des implications pratiques considérables.
À ce jour, nous ne savons toujours pas exactement ce qui déclenche la foudre. Plus encore, la plupart des chercheurs s’accordent à dire que le champ électrique mesuré dans les orages semble, à lui seul, insuffisant pour produire la foudre telle que nous l’observons. Autrement dit, il manquerait théoriquement à l’orage une partie de l’énergie ou du mécanisme nécessaire pour amorcer une décharge aussi puissante. C’est là tout le paradoxe : d’après les mesures disponibles, la foudre ne devrait pas se déclencher aussi facilement qu’elle le fait dans la nature. Ce problème reste l’un des grands mystères de la physique atmosphérique.
2. Champ électrique perdu
Plusieurs théories s’affrontent aujourd’hui pour expliquer le déclenchement de la foudre. La théorie classique, dominante jusque dans les années 1980-1990, supposait que le champ électrique d’un orage était à lui seul suffisamment intense pour amorcer spontanément la décharge, un peu comme dans certaines expériences de laboratoire avec une bobine Tesla.
Mais en mesurant le champ électrique réel des orages, on constatait qu’il n’était jamais assez fort. Une première hypothèse a donc été que le problème venait des mesures elles-mêmes : quelque part dans l’orage, le champ électrique devait être bien plus intense que ce que l’on enregistrait, ou bien un mécanisme inconnu affaiblissait artificiellement la mesure. Cette idée a cependant vite montré ses limites, car plus on étudiait les orages, plus on découvrait des manifestations de la foudre de plus en plus puissantes, de moins en moins compatibles avec les champs mesurés.
On a alors proposé que, localement, les hydrométéores, liquides ou solides, puissent renforcer le champ électrique ambiant et initier des décharges par effet corona. Ce mécanisme ne doit pas être confondu avec le processus général de séparation des charges qui établit le champ électrique de l’orage. Il ne s’agit pas ici de l’ionisation globale du nuage par contact entre hydrométéores, mais d’un déclenchement électrique très localisé, à partir de quelques particules seulement.
Les hydrométéores jouent probablement un rôle dans l’amorçage de la foudre. Mais, même si ce processus est encore imparfaitement compris, cette théorie convainc peu de chercheurs lorsqu’on la considère comme une explication unique du phénomène.
3. Origine extraterrestre
Dans les années 1990, une autre théorie fait intervenir des particules d’origine extraterrestre. La Terre est en effet constamment bombardée par des particules de haute énergie venues de l’espace, que l’on appelle des rayons cosmiques. Parmi les particules qu’ils produisent dans l’atmosphère, certaines peuvent atteindre de très hautes énergies.
Imaginons que le champ électrique de l’orage soit un réservoir d’énergie encore inexploité. Pour que cette énergie soit libérée sous forme de foudre, il faut une étincelle initiale. Des électrons très énergétiques, issus des rayons cosmiques, pourraient jouer ce rôle de déclencheur.
Ces électrons sont dits de haute énergie parce qu’ils se déplacent à des vitesses extrêmement élevées. Lorsqu’un rayon cosmique ou une particule secondaire interagit avec l’air, il peut transférer son énergie à d’autres électrons et déclencher une ionisation plus intense.
Il se produit alors un effet de cascade : des électrons initialement lents sont accélérés, puis en accélèrent d’autres à leur tour, en suivant le champ électrique, même relativement faible, de l’orage. C’est ce que l’on appelle la théorie du “Runaway Breakdown” ou fuite de décharge. Ce processus pourrait contribuer à la naissance d’un traceur électrique.
4. Foudre de haute énergie
On a également montré, à partir des années 1990, grâce aux observations satellitaires, que les orages et la foudre peuvent s’accompagner d’émissions extrêmement énergétiques de rayons X et gamma. Au départ, on pensait que seuls quelques orages exceptionnels en étaient capables. Mais à mesure que les observations se sont multipliées, surtout dans les années 2000, il est apparu que ces phénomènes étaient bien plus fréquents qu’on ne l’imaginait, y compris dans des orages parfois modestes.
Les rayons X et gamma sont invisibles à l’œil nu, car ils se situent bien au-delà du domaine de la lumière visible. Ils soulèvent aussi la question de leur danger potentiel, notamment pour l’aviation, même si ce risque reste difficile à quantifier précisément. Ce type de rayonnement compte parmi les manifestations les plus énergétiques observables dans l’atmosphère terrestre.
Certaines émissions gamma associées aux orages sont même si intenses — les TGF — qu’elles ont conduit à mettre en évidence des phénomènes liés à l’antimatière. Lorsque ces émissions ont été enregistrées pour la première fois, aucune théorie n’était réellement capable de les expliquer complètement, pas même celles faisant intervenir les électrons cosmiques. Plus étonnant encore, certaines émissions de rayons X et gamma peuvent parfois être observées sans éclair visible simultané. On parle alors parfois de « foudre sombre », l’une des manifestations les plus mystérieuses de la foudre contemporaine.
Si la théorie classique du champ électrique ne suffit pas à expliquer de telles décharges de haute énergie, la théorie faisant intervenir les rayons cosmiques n’y parvient pas entièrement non plus. Cela oblige donc à revoir une partie de ce que l’on croyait comprendre et à envisager de nouvelles hypothèses.
5. Rayonnement neutronique
Il faut attendre 2013 pour qu’une équipe de chercheurs publie une étude proposant une piste de résolution, à partir de l’analyse des impulsions radio accompagnant la foudre. Les auteurs montrent que des mécanismes liés aux rayons cosmiques pourraient contribuer à la fois à la formation de la foudre et à celle des rayons X et gamma. Dans cette hypothèse, la présence d’hydrométéores dans les nuages jouerait aussi un rôle amplificateur. On tient alors peut-être une piste capable de rapprocher plusieurs explications jusque-là concurrentes.
Mais cette avancée ne règle pas tout. De nouvelles observations suggèrent en effet que des émissions très brèves de rayons X et gamma peuvent être enregistrées juste avant le déclenchement visible de l’éclair. Elles ne seraient donc pas seulement une conséquence de la foudre, mais pourraient participer à son amorçage. Le problème est alors relancé : si ces rayonnements interviennent dès le début du processus, qu’est-ce qui les produit eux-mêmes ?
En 2016, de nouvelles recherches apportent d’autres éléments, tout en soulevant de nouvelles questions. On y observe non seulement des émissions radio, comme attendu dans certains scénarios, mais aussi une augmentation significative du nombre de neutrons de haute énergie. Ce rayonnement neutronique apparaît au tout début du phénomène et reste difficile à expliquer dans les modèles actuels. Des émissions de particules radioactives ont également été signalées au moment des précipitations dans l’orage. Là encore, l’ensemble demeure encore mal compris.
6. Foudre mystérieuse
De ces observations, de nombreuses questions restent sans réponse. Nous ne savons toujours pas relier clairement le déclenchement de la foudre visible à celui des phénomènes lumineux plus exotiques de la haute atmosphère, les TLE. Le rôle exact des hydrométéores dans l’amorçage, l’intervention éventuelle des rayons cosmiques, ainsi que l’origine précise des rayons X, gamma et radio restent encore discutés. Plus on étudie la foudre, plus elle révèle de nouveaux niveaux de complexité.
À ce jour, on ne sait donc toujours pas exactement ce qui déclenche réellement la foudre. Plus précisément, on ne sait pas ce qui donne au premier électron l’énergie nécessaire pour amorcer la décharge. Le champ électrique d’un orage, bien que puissant, semble en tout cas trop faible pour produire spontanément à lui seul une telle décharge, et plus encore pour expliquer les manifestations de haute énergie associées à la « foudre sombre ».
Une fois cette « graine » initiale trouvée, en revanche, la suite du processus est bien mieux comprise. Une réaction en cascade se met en place, un peu comme une pierre qui dévale une pente et déclenche une avalanche. Un traceur électrique naît alors et se propage dans l’air en suivant le champ électrique. Lorsqu’il progresse vers une région de charge opposée, l’éclair visible tel que nous le connaissons peut finalement se former.
Annexes
Annexes
Bibliographie
- Alexander V. Gurevich : Observations of high-energy radiation during thunderstorms at Tien-Shan
- Alexander V. Gurevich : Runaway breakdown and the mysteries of lightning
- Alexander V. Gurevich : Runaway Breakdown and Hydrometeors in Lightning Initiation
- Davide Castelvecchi : Rogue antimatter found in thunderclouds
- Martin A. Uman : The Lightning Discharge
- Vladimir A. Rakov : Lightning: Physics and Effects
Autres
- Wikipédia : Histoire de l’Électricité
- voir aussi les nombreux liens directement dans l’article
Article de 2017
Copyright : Damien BELLIARD – www.meteobell.com
Toutes les images non signées Meteobell sont sous Licence « Creative Commons »
FOUDRE
Foudre : Histoire
La science de la foudre à travers l’Histoire, de l’antiquité à nos jours.
