Bien que les scientifiques aient longtemps compris comment la foudre frappe, les événements atmosphériques précis qui le déclenchent dans les nuages de tonnerre sont restés un mystère perplexe. Le mystère peut maintenant être résolu, grâce à une équipe de chercheurs dirigée par Victor Pasko, professeur de génie électrique à la Penn State School of Electrical Engineering and Computer Science, qui a révélé la puissante réaction en chaîne qui déclenche la foudre.
Dans l'étude publiée aujourd'hui (28 juillet) dans le Journal of Geophysical Researchles auteurs ont décrit comment ils ont déterminé de solides champs électriques dans les nuages de tonnerre accélèrent des électrons qui s'écrasent dans des molécules comme l'azote et l'oxygène, produisant des rayons X et initiant un déluge d'électrons supplémentaires et de photons à haute énergie – la tempête parfaite à partir de laquelle les boulons de foudre sont nés.
« Nos résultats fournissent la première explication précise et quantitative de la façon dont la foudre initie dans la nature », a déclaré Pasko. « Il relie les points entre les rayons X, les champs électriques et la physique des avalanches électroniques. »
L'équipe a utilisé la modélisation mathématique pour confirmer et expliquer les observations sur le terrain des phénomènes photoélectriques dans l'atmosphère de la Terre – lorsque les électrons d'énergie relativiste, qui sont ensemencés par des rayons cosmiques entrant dans l'atmosphère de l'espace, multipliez dans les champs électriques d'orage et émettent des rafales de photon à haute énergie. Ce phénomène, connu sous le nom de flash gamma terrestre, comprend les éclats invisibles et naturels de rayons X et d'émissions radio qui l'accompagnent.
« En simulant des conditions avec notre modèle qui a reproduit les conditions observées sur le terrain, nous avons offert une explication complète pour les rayons X et les émissions radio qui sont présentes dans les clichés de tonnerre », a déclaré Pasko.
« Nous avons démontré comment les électrons, accélérés par de forts champs électriques dans les clichés de tonnerre, produisent des rayons X lorsqu'ils entrent en collision avec des molécules d'air comme l'azote et l'oxygène, et créent une avalanche d'électrons qui produisent des photons à haute énergie qui initient des éclairs. »
Zaid Pervez, un doctorant en génie électrique, a utilisé le modèle pour faire correspondre les observations sur le terrain – collectées par d'autres groupes de recherche utilisant des capteurs au sol, des satellites et des plans d'espionnage à haute altitude – aux conditions des nuages simulés.
« Nous avons expliqué comment les événements photoélectriques se produisent, quelles conditions doivent être dans les clichés de tonnerre pour initier la cascade d'électrons et ce qui cause la grande variété de signaux radio que nous observons dans les nuages avant une frappe de foudre », a déclaré Pervez.
« Pour confirmer notre explication sur l'initiation de la foudre, j'ai comparé nos résultats à la modélisation précédente, aux études d'observation et à mon propre travail sur un type de foudre appelé décharges intercloud compacts, qui se produisent généralement dans de petites régions localisées dans les clichés de tonnerre. »
Publié par Pasko et ses collaborateurs en 2023, le modèle, décharge de rétroaction photoélectrique, simule les conditions physiques dans lesquelles un éclair est susceptible de provenir. Les équations utilisées pour créer le modèle sont disponibles dans le document que d'autres chercheurs peuvent utiliser dans leur propre travail.
En plus de découvrir l'initiation de la foudre, les chercheurs ont expliqué pourquoi les éclairs gamma terrestres sont souvent produits sans éclats de lumière et de radio, qui sont des signatures familières de foudre par temps orageux.
« Dans notre modélisation, les rayons X à haute énergie produits par des avalanches d'électrons relativistes génèrent de nouveaux électrons de graines entraînés par l'effet photoélectrique dans l'air, amplifiant rapidement ces avalanches », a déclaré Pasko.
« En plus d'être produit en volumes très compacts, cette réaction en chaîne en fuite peut se produire avec une résistance très variable, conduisant souvent à des niveaux détectables de rayons X, tout en étant accompagnés d'émissions optiques et radio très faibles. Cela explique pourquoi ces éclairs gamma peuvent émerger à partir de régions source qui semblent optiquement faibles et radio. »
En plus de Pasko et Pervez, les co-auteurs incluent Sébastien Celestin, professeur de physique à l'Université d'Orléans, France; Anne Bourdon, directrice de la recherche chez École Polytechnique, France; Reza Janalizadeh, scientifique de l'ionosphère au NASA Goddard Space Flight Center et ancien érudit postdoctoral sous Pasko à Penn State; Jaroslav Jansky, professeur adjoint de génie électrique et de communication à l'Université de technologie BRNO, République tchèque; et Pierre Gourbin, érudit postdoctoral d'astrophysique et de physique atmosphérique à l'Université technique du Danemark.
