En juillet 2023, l’avion ER-2 de la NASA a survolé des nuages d’orage pour étudier la relation entre la foudre et les champs d’énergie atmosphérique. L’avion, qui fait partie du projet ALOFT, opère à une altitude unique, permettant aux scientifiques de collecter des données détaillées sur les émissions de rayonnements à haute énergie provenant des orages. Crédit : NASA
NASAL’avion ER-2 de , dans le cadre du projet ALOFT, a étudié la foudre et les champs d’énergie associés dans l’atmosphère en juillet 2023. Cette recherche vise à approfondir notre compréhension des éclairs gamma dans les nuages d’orage et influencera la future cartographie spatiale de la foudre. les technologies.
Tout au long du mois de juillet 2023, l’avion ER-2 de la NASA a survolé des nuages d’orage pour étudier la foudre et son lien avec les vastes champs d’énergie de notre atmosphère. En tant qu’avion volant le plus haut du programme scientifique aéroporté de la NASA, l’ER-2 offre aux chercheurs un nouvel angle de vue sur les nuages d’orage.
Historiquement, la foudre n’a été étudiée que par des avions volant à basse altitude ou par des observateurs au sol trop éloignés des nuages d’orage pour en examiner les caractéristiques détaillées. Des satellites comme le TRMM (Tropical Rainfall Measurement Mission) de la NASA et NOAAGOES (Geostationary Environmental Satellite) de , ainsi que le capteur d’imagerie de foudre du Station spatiale internationale, ont mesuré la foudre et les décharges d’énergie associées à des centaines, voire des milliers de kilomètres au-dessus. L’avion ER-2 de la NASA, cependant, peut voler à environ 60 000 pieds (20 000 mètres), une altitude idéale et une proximité avec les nuages d’orage.
L’Armstrong Flight Research Center de la NASA à Edwards, en Californie, a collaboré avec l’Université de Bergen, en Norvège, pour créer le projet ALOFT, Airborne Lightning Observatory for Fly’s Eye Simulator et les flashs gamma terrestres. L’équipe comprenait des scientifiques et des enquêteurs de l’Université de Bergen, en Norvège, ainsi que des pilotes, des ingénieurs et des techniciens de la NASA qui ont étudié les éclairs et les éclairs de rayons gamma terrestres. Volant juste au-dessus des nuages d’orage au-dessus des côtes de Floride et des Caraïbes, l’avion ER-2 de la NASA collecte des données plus précises qui peuvent faire progresser l’étude des émissions de rayonnements à haute énergie provenant des orages. Crédit : Armstrong Flight Research Center de la NASA
Le projet ALOFT : une plongée plus approfondie dans la recherche sur la foudre
Les scientifiques participant au projet ALOFT — Airborne Lightning Observatory for Fly’s Eye Simulator and Terrestrial Gamma Rays — ont utilisé l’ER-2 pour survoler l’Amérique centrale, les Caraïbes et la côte de Floride, qui sont actuellement des points chauds pour l’activité orageuse. de l’année. Juste au-dessus de la hauteur d’un nuage d’orage, l’équipe espère collecter des données détaillées susceptibles de faire progresser l’étude des émissions de rayonnements à haute énergie provenant des orages. La campagne sur le terrain comprend des instruments et des chercheurs de l’Université de Birkeland en Norvège, du Marshall Space Flight Center et du Goddard Space Flight Center de la NASA, des Sandia National Labs et du Laboratoire de recherche navale des États-Unis.
« Il s’agit d’une mission visant à étudier la microphysique de ce qui se passe dans l’énorme champ électrique au-dessus de nos têtes », a déclaré le chercheur principal Nikolai Ostgaard de l’Université de Birkeland. « Notre objectif est de comprendre comment et dans quelles conditions sont produits les TGF, ou flashs gamma terrestres. Nous visons également à comprendre le comportement des rayons gamma dans les nuages d’orage.
La NASA exploite deux avions Lockheed ER-2 Earth Resources comme laboratoires volants dans le cadre du programme scientifique aéroporté relevant de la direction des missions scientifiques de l’agence. Les avions sont basés au Armstrong Flight Research Center de la NASA à Palmdale, en Californie, et collectent des informations sur les ressources de la Terre, les observations célestes, la chimie et la dynamique atmosphériques ainsi que les processus océaniques. Les avions sont également utilisés pour la recherche et le développement de capteurs électroniques, l’étalonnage des satellites et la validation des données satellitaires. Crédit : NASA
Comprendre la science des rayons gamma et des nuages d’orage
La science qui sous-tend ces lueurs et éclairs peut être comparée à une batterie : un nuage d’orage est chargé par la friction électrique entre l’air humide et les cristaux d’air froid, et cette énergie est déchargée par la foudre. Ces décharges réduisent la lueur des photons extrêmement énergétiques – les rayons gamma – à l’intérieur du nuage d’orage. Les nuages d’orage peuvent également produire des éclairs de rayons gamma, qui se produisent sous la forme de brefs éclats de lumière qui durent de dizaines à des centaines de microsecondes et sont encore plus intenses que les lueurs de rayons gamma.
« Si vous passez devant un nuage d’orage qui brille sous des rayons gamma, cela signifie que le champ électrique à l’intérieur du nuage est très important », a déclaré Ostgaard. L’équipe scientifique d’ALOFT observe l’activité des rayons gamma des nuages orageux en examinant cette lueur.
Les pilotes de la NASA pilotent l’ER-2 aussi près que possible des nuages d’orage en toute sécurité pour collecter des données avec les instruments montés sur l’avion. Ils mesurent la luminosité des rayons gamma (en photons par microseconde) à l’aide de scintillateurs – ou cristaux – qui créent une impulsion lumineuse lorsqu’ils sont touchés par un rayon gamma. Un photomultiplicateur transforme ces impulsions lumineuses en impulsions électriques indiquant une charge électrique. L’équipe ALOFT au sol reçoit ces données en temps réel, et si elle détecte que l’avion vole à proximité d’un nuage d’orage lumineux électriquement, elle demande au pilote de faire un cercle et de survoler cette cellule aussi longtemps que possible.
L’ER-2 est un avion polyvalent bien adapté pour effectuer plusieurs tâches de mission. Il fonctionne à des altitudes comprises entre 20 000 et 70 000 pieds, soit au-dessus de 99 % de l’atmosphère terrestre. L’avion dispose de quatre grands compartiments d’expérimentation pressurisés et d’un système électrique AC/DC de grande capacité, lui permettant de transporter diverses charges utiles au cours d’une seule mission. La conception modulaire de l’avion permet une installation ou un retrait rapide des charges utiles pour répondre aux exigences changeantes de la mission. Crédit : NASA/Carla Thomas
Instruments supplémentaires et perspectives futures
En plus de l’instrumentation sur la foudre, la NASA fournit des mesures supplémentaires à partir de radars de précipitations et de nuages et de radiomètres à micro-ondes. Ces instruments supplémentaires permettent de mesurer les structures et les propriétés microphysiques des tempêtes, ce qui peut fournir davantage d’informations sur les mécanismes à l’origine des champs électriques.
« Nos instruments sont conçus avec une très haute résolution temporelle, ce qui nous permet de voir un photon d’un éclair chaque microseconde, ou millionième de seconde », a déclaré Ostgaard.
Ostgaard est enthousiasmé par les nouvelles informations que ces données révéleront sur la foudre et le champ électrique au-dessus de nous. « Cela ouvrira les portes à la compréhension de la foudre, car nous ne comprenons pas vraiment comment ces éclairs et lueurs gamma sont liés aux nuages d’orage et aux éclairs », a-t-il déclaré. Les informations recueillies aideront également les scientifiques et les ingénieurs à évaluer de nouveaux concepts de conception pour la prochaine génération de cartographes de foudre spatiaux.
