Selon un adage couramment entendu, la foudre ne frappe jamais deux fois au même endroit. Cependant, la réalité est toute autre. En effet, il est fréquent que la foudre frappe deux, voire plusieurs fois au même point. Mais jusqu’à présent, les scientifiques ne connaissaient pas le mécanisme sous-tendant ce phénomène. Récemment, une équipe de géophysiciens a enfin trouvé la réponse à cette question en mettant en évidence des structures en forme d’aiguilles à l’intérieur des canaux de décharge.
Contrairement à la croyance populaire, la foudre frappe souvent deux fois au même endroit, mais la raison pour laquelle un canal de foudre est « réutilisé » restait un mystère. 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 des décharges répétées au sol. La découverte a été publiée dans la revue Nature.
Des structures en forme d’aiguilles
« 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 » explique Olaf Scholten, professeur de physique à l’institut KVI-CART de l’Université de Groningue.
La raison pour laquelle les scientifiques n’ont détecté ces aiguilles que maintenant réside dans les hautes capacités de LOFAR, ajoute son collègue, Brian Hare, premier auteur de l’article. « Ces aiguilles peuvent avoir une longueur de 100 mètres et un diamètre inférieur à cinq mètres. 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 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 apte à la recherche sur la foudre, car les décharges produisent des sursauts dans la bande radio VHF (très haute fréquence).
Observer l’intérieur des nuages
Pour leurs observations, les scientifiques ont utilisé uniquement les stations néerlandaises LOFAR, qui couvrent une superficie de 3200 kilomètres carrés. Cette nouvelle étude a analysé les traces temporelles brutes (précises à la nanoseconde) mesurées dans la bande 30-80 MHz.
« 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 résident la plupart des éclairs » explique Brian Hare.
La foudre émerge 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 vidéo montre le développement d’un éclair en slow-motion :
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.
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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.
Une précision de mesure inégalée grâce à un nouvel algorithme
Les scientifiques ont développé un nouvel algorithme pour analyser les données de 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 » indique 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.
Des décharges de foudre entrecoupées d’interruptions
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 réintègrent ensuite le nuage. La réduction des charges dans le canal provoque l’interruption. 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.
Cette vidéo en slow-motion zoom sur le canal chargé positivement :
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’allumant 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.
« Les émissions VHF le long du canal positif sont dues à des décharges répétées assez régulières le long des canaux latéraux précédemment formés, les aiguilles. Ces aiguilles semblent drainer les charges de manière pulsée » explique Scholten.
« Nos nouvelles techniques d’observation montrent des quantités abondantes d’aiguilles dans l’éclair, ce qui n’a jamais été vu auparavant » ajoute Joe Dwyer de l’Université du New Hampshire (États-Unis). « À partir de ces observations, nous voyons qu’une partie du nuage est rechargée, et nous pouvons comprendre pourquoi une décharge de foudre peut se répéter plusieurs fois » conclut Hare.