Un éclair est né. Explication des phénomènes atmosphériques à l’origine de la foudre

Mariah Lucas

Bien que les scientifiques comprennent depuis longtemps comment se produisent les éclairs, les phénomènes atmosphériques précis qui les déclenchent dans les nuages d’orage restaient un mystère déroutant. Ce mystère pourrait être résolu grâce à une équipe de chercheurs dirigée par Victor Pasko, professeur d’ingénierie électrique à l’École d’ingénierie électrique et d’informatique de l’État de Pennsylvanie, qui a mis en évidence la puissante réaction en chaîne qui déclenche les éclairs.

Dans l’étude publiée le 28 juillet dans le Journal of Geophysical Research, les auteurs décrivent comment ils ont déterminé que les champs électriques puissants dans les nuages d’orage accélèrent les électrons qui entrent en collision avec des molécules telles que l’azote et l’oxygène, produisant des rayons X et déclenchant un déluge d’électrons supplémentaires et de photons à haute énergie — la tempête parfaite à l’origine des éclairs.

« Nos résultats fournissent la première explication précise et quantitative de la façon dont la foudre se forme dans la nature », a indiqué M. Pasko. « Ils établissent un lien entre les rayons X, les champs électriques et la physique des avalanches d’électrons. »

L’équipe a utilisé la modélisation mathématique pour confirmer et expliquer les observations sur le terrain des phénomènes photoélectriques dans l’atmosphère terrestre, lorsque des électrons à énergie relativiste, générés par les rayons cosmiques pénétrant dans l’atmosphère depuis l’espace, se multiplient dans les champs électriques des orages et émettent de brèves rafales de photons à haute énergie. Ce phénomène, connu sous le nom de flash gamma terrestre, comprend des rafales invisibles et naturelles de rayons X accompagnées d’émissions radio.

« En simulant les conditions observées sur le terrain à l’aide de notre modèle, nous avons pu fournir une explication complète des rayons X et des émissions radio présentes dans les nuages d’orage », a déclaré M. Pasko. « Nous avons démontré comment les électrons, accélérés par les champs électriques puissants présents dans les nuages d’orage, produisent des rayons X lorsqu’ils entrent en collision avec des molécules d’air telles que l’azote et l’oxygène, et créent une avalanche d’électrons qui produisent des photons à haute énergie qui déclenchent la foudre. »

Zaid Pervez, doctorant en génie électrique, a utilisé le modèle pour faire correspondre les observations sur le terrain — recueillies par d’autres groupes de recherche à l’aide de capteurs au sol, de satellites et d’avions espions à haute altitude — aux conditions dans les nuages d’orage simulés.

« Nous avons expliqué comment se produisent les événements photoélectriques, quelles conditions doivent être réunies dans les nuages d’orage pour déclencher la cascade d’électrons, et ce qui cause la grande variété de signaux radio que nous observons dans les nuages avant un coup de foudre », a ajouté M. Pervez. « Pour confirmer notre explication sur le déclenchement de la foudre, j’ai comparé nos résultats à des modélisations antérieures, à des études d’observation et à mes propres travaux sur un type de foudre appelé décharges inter-nuages compactes, qui se produisent généralement dans de petites régions localisées des nuages d’orage. »

Publié par Pasko et ses collaborateurs en 2023, le modèle, intitulé « Photoelectric Feedback Discharge » (Décharge photoélectrique à rétroaction), simule les conditions physiques dans lesquelles un éclair est susceptible de se produire. Les équations utilisées pour créer le modèle sont disponibles dans l’article afin que d’autres chercheurs puissent les utiliser dans leurs propres travaux.

En plus de découvrir le déclenchement de la foudre, les chercheurs ont expliqué pourquoi les flashs gamma terrestres sont souvent produits sans flashs lumineux ni sursauts radio, qui sont des signes familiers de la foudre pendant les orages.

« Dans notre modélisation, les rayons X à haute énergie produits par les avalanches d’électrons relativistes génèrent de nouveaux électrons germes entraînés par l’effet photoélectrique dans l’air, amplifiant rapidement ces avalanches », a conclu M. Pasko. « En plus d’être produite dans des volumes très compacts, cette réaction en chaîne incontrôlable peut se produire avec une intensité très variable, conduisant souvent à des niveaux détectables de rayons X, tout en s’accompagnant d’émissions optiques et radio très faibles. Cela explique pourquoi ces flashs de rayons gamma peuvent émerger de régions sources qui semblent optiquement faibles et silencieuses sur le plan radio. »

Outre Pasko et Pervez, les coauteurs sont Sébastien Célestin, professeur de physique à l’université d’Orléans, en France ; Anne Bourdon, directrice de recherche à l’École polytechnique, en France ; Reza Janalizadeh, scientifique spécialiste de l’ionosphère au Goddard Space Flight Center de la NASA et ancien chercheur postdoctoral sous la direction de Pasko à Penn State ; Jaroslav Jansky, professeur adjoint d’ingénierie électrique et de communication à l’université technologique de Brno, en République tchèque ; et Pierre Gourbin, chercheur postdoctoral en astrophysique et physique atmosphérique à l’université technique du Danemark.

La National Science Foundation des États-Unis, le Centre national d’études spatiales (CNES), l’Institut universitaire de France et le ministère de la défense de la République tchèque ont soutenu cette recherche.

Article : « Photoelectric Effect in Air Explains Lightning Initiation and Terrestrial Gamma Ray Flashes » – DOI : 10.1029/2025JD043897

Source : U. Penn State