Foudre : Déclenchement
FOUDRE
Déclenchement de la Foudre
Déclenchement de la Foudre
1. Champ Électrique Découvert
Depuis les recherches de Benjamin Franklin au 18ᵉ siècle, et sa célèbre expérience du cerf-volant, nous savons que la foudre est produite lorsqu’un orage se charge en électricité statique, générant ainsi un champ électrique. Il faudra attendre ensuite le début du 20e siècle, avec l’invention de la photographie, pour que nous soyons capables d’expliquer les mécanismes physiques de l’éclair et la propagation de son canal électrique, sous forme de traceurs, aboutissant finalement à la foudre. Ce n’est qu’à partir des années 1960, que nous commençons à avoir une vraie compréhension sur la nature, le fonctionnement et la diversité des orages provoquant la foudre, grâce aux images satellites et radars. Enfin, à partir des années 1970, les expériences de ballon-sonde et de déclenchement de la foudre par fusée-fil vont permettre de mesurer très précisément les champs électromagnétiques, les courants et conditions physiques à l’intérieur de la foudre (voir mon article sur l’Histoire de la Foudre).
Ainsi, pendant ces 200 années d’expériences, la question primordiale que ce sont tous posés les chercheurs, était de savoir ce qui déclenche vraiment la foudre. Qu’est-ce qui amorce la décharge électrique initiale ? Comment, à partir d’un simple champ électrostatique généré par un cumulonimbus, une décharge électrique aussi puissante peut-elle se former ? Qu’est-ce qui conditionne où et quand la foudre va se former et qu’est-ce qui permet à l’intérieur de l’orage de générer un champ electrique suffisament puissant pour provoquer la foudre ? Répondre à ces questions pourraient permettre de prévoir le lieu et le moment où elle va tomber, c’est donc une question essentielle très importante qui aurait d’énormes répercussions pratiques.
La réponse est qu’à ce jour, nous ne savons toujours pas exactement ce qui déclenche la foudre. En fait, la plupart des chercheurs s’accordent même pour dire que le champ électrique mesuré sous un orage n’est pas suffisamment important pour générer la foudre telle que nous la connaissons. Il manque ainsi théoriquement à l’orage la puissance nécessaire pour déclencher une décharge électrique aussi puissante que celle qui est mesurée depuis 200 ans par les chercheurs. Selon toutes les observations des orages et les connaissances dont nous disposons, la foudre ne devrait même pas exister sous un orage. Il n’existe aucun champ électrique naturel suffisamment puissant dans un orage, pour provoquer la foudre. Cela pose alors un énorme problème. Sans doute le mystère le plus important de la physique atmosphérique.
2. Champ Électrique Perdu
Il existe plusieurs théories aujourd’hui, qui s’affrontent pour expliquer le déclenchement de la foudre. La théorie classique jusque dans les années 80-90 était assez simple, puisqu’elle considérait que le champ électrique d’un orage était suffisamment important pour que la foudre se déclenche d’elle-même, comme nous le ferions dans un laboratoire (Bobine Tesla).
Constatant que lorsqu’on mesurait le champ électrique d’un orage, il n’était jamais assez important, la première hypothèse émise a été que le problème venait de la mesure elle-même. Quelque-part dans l’orage, le champ électrique devait être vraiment beaucoup plus grand que celui que l’on mesurait. Ou alors quelque-chose dans l’orage rendait la mesure plus faible qu’elle ne l’était réellement. Mais ce n’était pas convaincant, car plus on étudiait les orages, plus on découvrait de nouvelles manifestations de plus en plus puissantes de la foudre (comme nous le verrons plus loin) et qui correspondaient de moins en moins au champ électrique mesuré.
On a alors très vite supposé que localement les hydrométéores (liquide ou non) pouvaient générer de l’électricité statique supplémentaire, capable localement d’améliorer le champ électrique de l’orage et d’initier des décharges électriques par effet Corona. Ce mécanisme ne doit pas être confondu au processus de répartition des charges préalables qui initie le champ électrique d’un orage. On ne parle pas ici en effet d’ionisation de l’orage par contact entre les hydrométéores, mais bien de déclenchement électrique micro-localisé à partir de quelques hydrométéores.
Les hydrométéores jouent probablement un rôle dans l’amorçage de la foudre. Mais bien que tout ne soit pas encore totalement compris dans ce processus, cette séduisante théorie, ne convainc que peu de chercheurs si on ne la considère que comme seule explication possible dans la naissance de la foudre.
3. Origine Extraterrestre
Dans les années 90, une autre théorie fait intervenir des particules d’origine extra-terrestres. En effet, la Terre est constamment bombardée par des particules de haute énergie venues de l’Espace, qu’on appelle des rayons cosmiques. Parmi ces particules, on retrouve des électrons de haute énergie.
Imaginons que le champ électrique de l’orage représente un réservoir d’essence, c’est une énergie potentielle encore non exploitée. Pour que cette énergie soit exploitée par l’intermédiaire de la foudre, il faut une étincelle de départ. Ces électrons de haute énergie venus de l’Espace seraient cette étincelle nécessaire au déclenchement de la foudre sur Terre.
Ces électrons cosmiques sont de haute énergie, car ils frappent la Terre à très haute vitesse (proche de la lumière). À de telles vitesses, on ne parle d’ailleurs plus vraiment de « particules » cosmiques, mais plutôt de rayons cosmiques. Chaque fois qu’un rayon cosmique frappe un électron lent de l’air ionisé, il lui transfère alors son énergie.
Il y a ensuite un effet de cascade. Les électrons de l’air ionisé qui étaient au départ lent deviennent à leur tour rapide et frappent d’autres électrons lents de l’air ionisé qui leur transmettent également leur vitesse etc. Tout ceci a lieu en suivant le champ électrique, même faible de l’orage. On appelle cela la théorie du “Runaway Breakdown” (fuite de décharge). C’est la naissance d’un traceur électrique.
4. Foudre de Haute Énergie
Mais il a également été démontré dans les années 1990, grâce à l’observation satellite depuis l’espace, qu’un coup de foudre déclenche des émissions ultra-puissantes de rayons X et Gamma. On pensait, au début, que seul de très rares orages extrêmement puissants en étaient capables. Mais plus on observait les orages, dans les années 2000 et plus, on se rendait compte que c’était quelque-chose de très commun et qui existait même sur de faibles orages.
Les rayons X et Gamma sont invisibles à l’œil nu, car ils sont tellement énergétiques qu’on sort du domaine de la lumière visible. Cependant, même s’ils sont invisibles, on pense qu’ils peuvent constituer un grave danger pour les passagers d’un avion, qui prendraient la dose de radiation admise pour toute une vie en une seule fois. Il n’existe pas d’autres sources connues de rayons gamma sur Terre. C’est d’ailleurs généralement quelque-chose que l’on n’observe que sur des supernovas lorsqu’une étoile en fin de vie explose. C’est dire la puissance de ce type de rayonnement.
Certaines émissions gammas, lors des orages, sont même si importantes (TGF), qu’on a découvert que de l’antimatière était dégagée pendant un tel événement. Il faudrait une énergie si prodigieuse pour que de tels rayonnements puissent se former, que lorsqu’on a enregistré pour la première fois dans les années 90 ces émissions gamma, aucune théorie n’était capable de l’expliquer, même celles faisant intervenir les électrons cosmiques. Ces émissions de rayons x et gammas observés peuvent même parfois se manifester sans qu’aucun coup de foudre visible ne se déclenche en même temps. On l’appelle alors la “foudre sombre” et c’est probablement une des manifestations les plus mystérieuses de la foudre de ces 50 dernières années.
Si la théorie classique du champ électrique est incapable de générer de tels coups de foudre de si haute énergie, la théorie faisant intervenir aussi les rayons cosmiques ne peut pas l’expliquer non plus. Cela remet alors totalement en question ce que l’on croyait savoir et il faut de nouveau chercher de nouvelles hypothèses.
5. Rayonnement Neutronique
Il faut attendre 2013 pour qu’une équipe de chercheur publie une étude permettant de résoudre ce mystère, grâce à l’étude des signaux d’impulsions radio accompagnant la foudre. Ils donnent ainsi la preuve que la théorie des rayons cosmiques est susceptible de générer à la fois la foudre, mais aussi les rayons X et Gamma. Cette théorie ne fonctionne, de plus, qu’en faisant intervenir la présence dans les nuages d’hydrométéores, pour amplifier les décharges électriques et les impulsions radio produites. On semble enfin trouver une piste sérieuse, conciliant tout le monde et l’ensemble des théories connus.
Malheureusement, la joie sera de courte durée, car de nouvelles observations viennent contredire cette étude. On démontre en effet qu’on enregistre toujours des émissions de rayons X et Gamma de manière très courte juste avant qu’un coup de foudre visible ne se déclenche. On pense donc que ces rayonnements de haute énergie ne sont pas la conséquence de la foudre, comme cette étude essaye de le démontrer, mais en sont bien la cause. Les rayons X et gammas ont un rôle dans le déclenchement de la foudre connu. Bouleversement de nouveau, puisqu’aucune théorie n’est capable de l’expliquer à ce jour. Si la foudre ne déclenche pas les rayons x et gammas, qu’est-ce qui les provoque ? On en revient de ce fait au point de départ.
En 2016, de nouvelles recherches tentent d’expliquer pourquoi on trouve de telles émissions énergétiques, mais vont lever de nouvelles questions. On a en effet observé des émissions radios (comme on s’y attendait pour prouver la théorie des rayons cosmiques), mais aussi une augmentation significative du nombre de neutrons de haute énergie. Comme les électrons, leur énergie dépend de leur vitesse de déplacement. Ainsi, lorsqu’ils se déplacent presque à la vitesse de la lumière, on ne considère plus ces neutrons comme des particules, mais comme des rayons de haute énergie. Ce rayonnement neutronique se produit juste au début d’un coup de foudre et aucun modèle n’est capable alors de l’expliquer. On a aussi observé l’émission de particules radioactives, comme le radon venu de la haute atmosphère, exactement au moment où les précipitations avaient lieu dans l’orage.
6. Foudre Mystérieuse
De ces observations, de nombreuses questions restent alors sans réponse. Nous ne sommes par exemple toujours pas capable aujourd’hui de faire la connexion entre le déclenchement de la foudre visible et celui des phénomènes de foudre plus exotiques qui ont lieu dans la haute atmosphère (TLE). On ne sait toujours pas évaluer le rôle des hydrométéores avec l’amorce des rayons cosmiques. L’origine des rayons X, Gammas et radios restent sans explications et on ne sait toujours pas vraiment s’ils sont la cause ou la conséquence de la foudre. Bref, plus on cherche et plus la foudre nous cache encore bien ses mystères.
À ce jour, on ne sait donc encore pas concrètement ce qui déclenche réellement la foudre. Plus précisément, on ne sait en fait pas ce qui donne au premier électron, l’énergie nécessaire pour créer le début de la foudre. Le champ électrique d’un orage, bien que puissant, est en tout cas bien trop faible pour la créer spontanément et bien trop faible pour provoquer la foudre sombre de haute énergie.
Une fois trouvé la “graine” amorçant la décharge électrique, la suite est en revanche bien mieux connu. Il y a un effet de réaction en cascade, un peu comme la pierre en haut d’une pente de montagne et qui va enclencher l’avalanche. Un traceur électrique nait alors et se propage à travers l’air en suivant le champ électrique. Lorsque le traceur arrive en direction de la charge opposée, la foudre telle que nous la connaissons est créée.
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
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FOUDRE
Foudre : Histoire
La science de la foudre à travers l’Histoire, de l’antiquité à nos jours.
