Pourquoi la foudre frappe deux fois ?
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Contrairement à ce qu’on pense, la foudre frappe souvent deux fois dans les mêmes zones. Et aujourd’hui, une étude suggère une explication de ce phénomène.
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Contrairement à la croyance populaire, la foudre frappe souvent deux fois, mais on ignorait la raison pour laquelle un canal de foudre était réutilisé. À présent, une équipe de recherche internationale dirigée par l’Université de Groningue a utilisé le radiotélescope LOFAR pour étudier le développement des éclairs avec des détails sans précédent.
Leur travail révèle que les charges négatives à l’intérieur d’un nuage d’orage ne sont pas déchargées en une seule fois, mais sont en partie stockées le long du canal principal lors des interruptions. Cela se produit à l’intérieur de structures que les chercheurs ont appelées aiguilles. À travers ces aiguilles, une charge négative peut provoquer un déversement répété au sol. Les résultats ont été publiés dans la revue Nature.
Sommaire
Les aiguilles de la foudre
Cette découverte contraste nettement avec la situation actuelle, selon laquelle la charge circule le long des canaux plasmatiques directement d’une partie du nuage à une autre ou vers le sol selon Olaf Scholten, professeur de physique à l’institut KVI-CART de l’Université de Groningue.
La raison pour laquelle on n’a jamais vu d’aiguilles réside dans les capacités du LOFAR, ajoute son collègue, le Dr Brian Hare, premier auteur de l’article. Ces aiguilles peuvent avoir une longueur de 100 mètres et un diamètre inférieur à cinq mètres et elles sont trop petites et trop brèves pour d’autres systèmes de détection de la foudre.
LOFAR (Low Frequency Array) est un radiotélescope hollandais composé de milliers d’antennes assez simples réparties dans le nord de l’Europe. Ces antennes sont connectées à un ordinateur central via des câbles à fibres optiques, ce qui signifie qu’elles peuvent fonctionner comme une seule entité.
LOFAR est principalement conçu pour les observations de radioastronomie, mais la gamme de fréquences des antennes le rend également adapté à la recherche sur la foudre, car les décharges produisent des sursauts dans la bande radio VHF (très haute fréquence).
À l’intérieur du nuage
Pour les observations actuelles de la foudre, les scientifiques ont utilisé uniquement les stations néerlandaises LOFAR, qui couvrent une superficie de 3 200 kilomètres carrés. Cette nouvelle étude a analysé les traces temporelles brutes (précises à la nanoseconde) mesurées dans la bande 30-80 MHz.
Brian Hare: Ces données nous permettent de détecter la propagation de la foudre à une échelle où, pour la première fois, nous pouvons distinguer les processus primaires. De plus, l’utilisation des ondes radio nous permet de regarder à l’intérieur du nuage d’orage, où réside la plupart des éclairs.
La foudre se produit lorsque de forts courants ascendants génèrent une sorte d’électricité statique dans les gros cumulonimbus. Des parties du nuage deviennent chargées positivement et d’autres négativement. Lorsque cette séparation de charge est suffisamment importante, il se produit une décharge violente, connue sous le nom de foudre.
Une telle décharge commence par un plasma, une petite zone d’air ionisé suffisamment chaude pour être électriquement conductrice. Cette petite zone se développe en un canal plasmatique en fourche pouvant atteindre plusieurs kilomètres. Les extrémités positives du canal plasma recueillent les charges négatives du nuage, qui passent à travers le canal jusqu’à l’extrémité négative, où la charge est déchargée.
On savait déjà qu’une grande quantité d’émissions VHF était produite aux extrémités croissantes des canaux négatifs alors que les chaînes positives ne montraient que les émissions le long de la chaîne, et non à la pointe.
Un nouvel algorithme
Les scientifiques ont développé un nouvel algorithme pour les données LOFAR, leur permettant de visualiser les émissions radio VHF de deux éclairs. Le réseau d’antennes et l’horodatage très précis de toutes les données leur ont permis de localiser les sources d’émission avec une résolution sans précédent.
Près de la zone centrale de LOFAR, où la densité d’antenne est la plus élevée, la précision spatiale était d’environ un mètre selon le professeur Scholten. De plus, les données obtenues étaient capables de localiser 10 fois plus de sources VHF que d’autres systèmes d’imagerie tridimensionnelle, avec une résolution temporelle de l’ordre de la nanoseconde. Cela a abouti à une image 3D haute résolution de la décharge de foudre.
La rupture de la foudre
Les résultats montrent clairement l’apparition d’une rupture dans le canal de décharge, à un endroit où des aiguilles sont formées. Celles-ci semblent décharger des charges négatives du canal principal, qui réintègre ensuite le nuage.
La réduction des charges dans le canal provoque la rupture. Cependant, une fois que la charge dans le nuage redevient suffisamment élevée, le flux à travers le canal est restauré, ce qui provoque une seconde décharge de foudre. Par ce mécanisme, la foudre frappera le même secteur à plusieurs reprises.
Scholten: Les émissions VHF le long du canal positif sont dues à des rejets répétés assez réguliers le long des canaux latéraux précédemment formés qui sont les aiguilles. Ces aiguilles semblent drainer les charges de manière pulsée.
Le professeur Joe Dwyer de l’Université du New Hampshire (États-Unis), troisième auteur du document, ajoute: Nos nouvelles techniques d’observation montrent des quantités abondantes d’aiguilles dans l’éclair, ce qui n’a jamais été vu auparavant. Et Brian Hare conclut: À partir de ces observations, nous voyons qu’une partie du nuage est rechargée et nous pouvons comprendre pourquoi une décharge de foudre sur le sol peut se répéter plusieurs fois.
Des vidéos pour montrer le phénomène
La première vidéo ci-dessous montre l’évolution de la foudre au ralenti. En temps réel, la durée est inférieure à 0,2 seconde et vers la fin, la décharge couvre environ cinq kilomètres dans toutes les directions. Les clignotements jaune vif sont les nouvelles impulsions radio détectées, qui s’estompent rapidement en petits points blancs pour donner le sens de la structure.
Les canaux de foudre chargés positivement sont visibles au sommet de l’éclair, se développent vers le haut et semblent scintiller à cause des aiguilles récemment découvertes. Le scintillement est le plus actif entre 0:14 et 0:21 secondes. Les canaux chargés négativement se développent vers le bas et sont vus se développer continuellement (ils ne scintillent pas). Un canal négatif atteint même le sol à 0:14 secondes. Vers la fin de la vidéo, il y a encore de l’activité le long du canal positif.
Crédit : Stijn Buitink (VUB, Brussels) and Brian Hare (University of Groningen)
La seconde vidéo ci-dessous montre un zoom sur le canal chargé positivement. En temps réel, le développement ne prend que 0,1 seconde et couvre une distance d’environ 400 mètres. Au début, il y a peu d’activité le long du canal: il est à peine visible.
C’est seulement à 0:10 secondes que l’on voit les aiguilles se développer. Une aiguille particulièrement grosse est représentée en rouge. Plusieurs aiguilles peuvent être vues le long du canal de la foudre, chacune d’elles, y compris celle rouge, s’activant plusieurs fois. À 0:20 secondes, l’activité dans cette partie du canal s’interrompt, une partie de l’activité restant à des points plus éloignés du canal.
Crédit : Stijn Buitink (VUB, Brussels) and Brian Hare (University of Groningen)
