La foudre frappe vraiment deux fois, et les scientifiques savent maintenant pourquoi

Les méandres de la foudre ont quelque chose d’un chaos aléatoire. Pourtant, non seulement les éclairs frappent régulièrement les mêmes endroits, mais les décharges successives réutilisent souvent exactement le même canal.

On n’a jamais vraiment compris comment la trajectoire tracée par un éclair pouvait se répéter, mais de nouvelles recherches ont permis de découvrir des poches de charge persistantes dans le sillage d’un seul coup de foudre, qui pourraient servir de carte pour les autres.

Une équipe internationale de physiciens a recueilli un niveau de détail sans précédent sur les ondes radio émises par la foudre afin de déterminer pourquoi les poches d’air chargées qui tracent le chemin de la foudre se comportent comme elles le font.

À l’aide d’un réseau de radiotélescopes appelé LOFAR (Low-Frequency Array), les chercheurs ont pu recueillir des données offrant une résolution de l’ordre de la nanoseconde sur les coups de foudre dans une zone de plusieurs milliers de kilomètres carrés.

“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”, explique le physicien Brian Hare de l’université de Groningue aux Pays-Bas.

“En outre, l’utilisation des ondes radio nous permet de regarder à l’intérieur du nuage d’orage, où réside la plupart des éclairs”

Malgré tous ses clignotements et ses boums impressionnants, l’éclair n’est en réalité qu’une étincelle électrique grand-mère causée par une différence entre les charges positives et négatives.

Ces charges opposées sont séparées par des courants d’air qui fouettent des morceaux de grêle appelés graupel, ce qui les fait se cogner physiquement et broyer leurs électrons dans un jeu météorologique de “passe le paquet”.

Une accumulation régulière de centaines de millions de volts peut se produire à l’intérieur et entre des nuages distincts, ou entre un nuage et le sol. Mais où qu’il se forme, l’éclair a la possibilité de bondir, mais seulement si les conditions sont réunies.

Ce que nous voyons comme un éclair zigzaguant n’est que la fin d’un processus complexe que nous sommes encore en train de reconstituer.

La première étape consiste en la formation d’une petite poche de plasma – une masse de gaz chauffé composée de particules chargées. Cette minuscule graine de foudre se ramifie rapidement dans de nombreuses directions, une ou plusieurs d’entre elles formant un canal de plusieurs kilomètres de long qui agit comme un fil géant tendu dans le ciel.

Les extrémités de ce canal, appelées ” leaders”, peuvent être positives ou négatives, chacune d’entre elles se déplaçant de manière unique en fonction de sa charge.

Les leaders négatifs ont tendance à se déplacer de manière discontinue, en produisant un signal radio à haute fréquence lorsqu’ils sautent. Les leaders positifs ne se déplacent pas de la même manière et ne produisent donc pas le même signal lorsqu’ils se développent. Pourtant, leurs canaux bourdonnent toujours avec un modèle distinctif d’ondes radio.

Ces signaux contrastés donnent aux chercheurs un aperçu de la génération rapide de l’éclair, depuis la croissance du canal de plasma jusqu’au spectacle lumineux culminant à la fin.

Une observation curieuse faite dans le passé a été que les leaders positifs peuvent se séparer de leur canal de plasma. Personne ne sait pourquoi cette séparation se produit comme elle le fait, en grande partie parce que la plupart des études menées jusqu’à présent n’ont pas la résolution nécessaire.

Le vaste complexe d’antennes qui compose LOFAR a cependant fourni aux chercheurs ce dont ils avaient besoin pour se concentrer sur les détails d’un canal de plasma ramifié.

“Près de la zone centrale de LOFAR, où la densité d’antennes est la plus élevée, la précision spatiale était d’environ un mètre”, explique Olaf Scholten, physicien à l’université de Groningue.

Avec un niveau de détail aussi fin, les chercheurs ont pu cartographier les changements dynamiques qui se produisent dans les canaux de plasma au fur et à mesure qu’ils se rapprochent, ce qui a permis à l’équipe de faire une découverte plutôt étrange.

Lorsque les leaders arrivent dans des zones présentant une différence de tension suffisante, des électrons déferlent dans le plasma, portant l’air à des températures plus élevées que la surface du Soleil.

Il s’avère que tout ce courant ne se dirige pas vers les mêmes points d’arrivée. Une partie de la charge résiduelle s’échappe par des brèches dans le canal de décharge principal et reste dans de petites structures fines appelées aiguilles.

“Cette découverte contraste fortement avec l’image actuelle, dans laquelle la charge s’écoule le long de canaux de plasma directement d’une partie du nuage à une autre, ou jusqu’au sol”, explique Scholten.

“Ces aiguilles, qui peuvent avoir une longueur de 100 mètres et un diamètre inférieur à cinq mètres, sont trop petites et trop éphémères pour les autres systèmes de détection de la foudre”, ajoute M. Hare.

Si la différence de tension s’accumule à nouveau dans le nuage dans un laps de temps relativement court, ces aiguilles chargées peuvent constituer une carte pour de nouvelles frappes, ce qui explique pourquoi nous voyons souvent des éclairs copiés frapper la même marque à plusieurs reprises.

Le clip ci-dessous montre la formation d’un éclair au ralenti, chaque point jaune représentant une impulsion radio décrivant la trajectoire de la décharge en cours. Tout en haut du clip, on peut voir les leaders positifs scintiller lorsqu’ils rencontrent les aiguilles d’un éclair précédent.

“D’après ces observations, nous constatons qu’une partie du nuage est rechargée et nous pouvons comprendre pourquoi une décharge de foudre au sol peut se répéter plusieurs fois”, explique M. Hare.

Pour une force aussi primitive que celle qui nous émerveille depuis toujours, il est étonnant de penser que nous en apprenions encore tant sur le fonctionnement de la foudre.

Cette recherche a été publiée dans Nature.