Les effets méconnus des orages enfin élucidés

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Nous sommes tous familiers des orages qui se produisent par exemple après un épisode de forte chaleur suivi de l’arrivée d’un front froid. Il se produit alors de violents mouvements de masses d’air se ionisant puis provoquant des décharges électriques parfois spectaculaires suivies d’un bruit quelque fois assourdissant. Les éclairs sont le résultat de la présence de champs électriques intenses existant entre deux masses nuageuses ou une masse nuageuse et le sol. Ces champs électriques accélèrent des électrons à des vitesses dites relativistes. Outre l’émission de photons visibles suivant le tracé de la décharge électrique, quelques micro-secondes avant cette décharge visible il y a également l’émission de photons nettement plus énergétiques, des rayons gamma. Ce phénomène est appelé « bremsstrahlung », un terme allemand signifiant radiation de décélération.

Lorsque des électrons – ici dans les nuages – sont accélérés par un champ électrique intense, si leur vitesse décroit par interaction avec les noyaux ionisé d’autres atomes, typiquement d’azote, alors conformément à la loi de conservation de l’énergie ils émettent un rayonnement sous forme de photons dont l’énergie dépend de leur vitesse. C’est exactement le même phénomène que celui provoquant les radiations d’un synchrotron dans lequel sont accélérés des électrons à des vitesses relativistes. Ce type d’émissions de photons de haute énergie liés a des orages a été observé au début des années 1980 par des détecteurs dit de Compton embarqués dans des satellites.

Mais que se passe-t-il sur le plancher des vaches pendant que le champ électrique s’intensifie pour se terminer par une décharge électrique lors d’un orage ? C’est ce qu’a voulu approfondir une petite équipe d’étudiants doctorants de l’Université de Tokyo, dont Yuuki Wada, initiateur de ce projet. Leur préoccupation était de connaître l’aire de répartition au sol de ce rayonnement, son énergie et la durée de l’irradiation que chacun peut subir s’il se trouve à l’extérieur lors d’un orage. Le choix d’orages d’hiver a été arrêté en raison des altitudes relativement peu élevées des nuages. L’hypothèse fut que la détection des rayons gamma – car il s’agit bien de rayons gamma – en serait facilitée. Cette détection a été réalisée avec des photo-multiplicateurs équipés d’une fenêtre constituée d’un cristal d’oxyde de bismuth et de germanium sensible aux rayons gamma. Un ensemble de deux sites de détection a été installé dans la ville de Kanazawa près de la Mer du Japon et le 9 janvier 2018, au cours d’un orage ce fut une grande découverte.

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Les deux détecteurs ( sur la figure : a et b) étaient distants d’environ 1 kilomètre et ils ont détecté deux évènements différents, l’un se déroulant entre 80 et 20 secondes avant l’éclair – la décharge électrique – et l’autre ayant lieu au cours des 50 millisecondes suivant l’éclair. Il s’agit lors de la première « lueur » de rayons gamma d’une pluie de photons ayant une énergie de l’ordre de 1 à 3 MeV. Ces photons de relativement faible énergie sont émis par les électrons accélérés par le champ électrique lors de leur décélération et ce premier phénomène provoque ensuite l’éclair et le flash concomitant de rayons gamma de plus haute énergie, jusqu’à 30 MeV, puisque ces deux phénomènes sont liés conformément aux signaux enregistrés par les deux réseaux de détecteurs. L’un des réseaux a bien enregistré la « lueur » précédant l’éclair alors que l’autre réseau situé à 1,3 km du premier a mieux enregistré le « flash » de rayons gamma en raison de la distance séparant l’éclair lui-même de chacun des détecteurs. Les analyses ont enfin permis de calculer l’intensité de la décharge du champ électrique établi dans le nuage d’orage. Celle-ci a atteint près de deux-cent-mille ampères pour un champ d’environ un milliard de volts par m2. C’est la première fois qu’un lien a pu être établi entre ces deux phénomènes de haute intensité énergétique. Il reste maintenant à expliquer en détail le mécanisme qui provoque ce « flash » de haute énergie et il faudra accumuler les observations pour mieux comprendre ce mécanisme. Toujours est-il qu’au cours d’un orage, si on n’est pas à l’abri, on a peu de chance de se faire foudroyer mais par contre on a toutes les chances de se faire copieusement irradier par des rayons gamma …

Source : University of Tokyo et doi : 10.1038/s42005-019-0168-y