Une étude 3D détaillée d’une décharge électrique massive qui s’est élevée à 80 km dans l’espace au-dessus d’un orage en Oklahoma a fourni de nouvelles informations sur un phénomène atmosphérique insaisissable connu sous le nom de jets géants. La décharge de l’Oklahoma était le jet gigantesque le plus puissant étudié à ce jour, transportant 100 fois plus de charge électrique qu’un éclair d’orage typique.
Selon les estimations, le gigantesque jet a déplacé 300 coulombs de charge électrique dans l’ionosphère (le bord inférieur de l’espace) à partir de l’orage. Les éclairs typiques transportent moins de cinq coulombs entre le nuage et le sol ou à l’intérieur des nuages. La décharge ascendante comprenait des courants de plasma relativement froids (environ 205°C), ainsi que des structures appelées leaders, très chaudes (plus de 4 500°C).
« Nous avons pu cartographier ce gigantesque jet en trois dimensions avec des données de très haute qualité », a déclaré Levi Boggs, chercheur à l’Institut de recherche Georgia Tech (GTRI) et auteur correspondant de l’article.
« Nous avons pu voir des sources à très haute fréquence (VHF) au-dessus du sommet des nuages, ce qui n’avait jamais été observé auparavant avec ce niveau de détail. Grâce aux données satellitaires et radar, nous avons pu apprendre où se situait la partie leader très chaude de la décharge au-dessus du nuage. »
Boggs a travaillé avec une équipe de recherche multi-organisations, dont l’Association universitaire de recherche spatiale (USRA), la Texas Tech University, l’Université du New Hampshire, la Politecnica de Catalunya, la Duke University, l’Université de l’Oklahoma, le National Severe Storms Laboratory de la NOAA et le Los Alamos National Laboratory. Ces recherches sont publiées le 3 août dans Science Advances.
Steve Cummer, professeur de génie électrique et informatique à Duke, utilise les ondes électromagnétiques émises par la foudre pour étudier ce puissant phénomène. Il gère un site de recherche où des capteurs ressemblant à des antennes classiques sont disposés dans un champ vide, attendant de capter les signaux des orages locaux.
« Les signaux VHF et optiques ont définitivement confirmé ce que les chercheurs soupçonnaient mais n’avaient pas encore prouvé : la radio VHF de la foudre est émise par de petites structures appelées streamers qui se trouvent à l’extrémité de la foudre en développement, tandis que le courant électrique le plus fort circule considérablement derrière cette extrémité dans un canal électriquement conducteur appelé leader », a déclaré M. Cummer.
Doug Mach, co-auteur de l’article à l’USRA (Universities Space Research Association), a déclaré que l’étude était unique en son genre car elle a permis de déterminer que les emplacements 3D des émissions optiques de la foudre se trouvaient bien au-dessus des sommets des nuages.
« Le fait que le jet gigantesque ait été détecté par plusieurs systèmes, dont le Lightning Mapping Array et deux instruments optiques géostationnaires pour la foudre, est un événement unique et nous donne beaucoup plus d’informations sur les jets gigantesques », a déclaré Mach. « Plus important encore, c’est probablement la première fois qu’un gigantesque jet a été cartographié en trois dimensions au-dessus des nuages avec l’ensemble des instruments du Geostationary Lightning Mapper (GLM). »
Les gigantesques jets ont été observés et étudiés au cours des deux dernières décennies, mais comme il n’existe pas de système d’observation spécifique pour les rechercher, les détections ont été rares. Boggs a appris l’événement d’Oklahoma par un collègue, qui lui a parlé d’un jet gigantesque qui avait été photographié par un citoyen-scientifique qui avait un appareil photo à faible luminosité en fonctionnement le 14 mai 2018.
Fortuitement, l’événement s’est produit dans un endroit doté d’un système de cartographie de la foudre VHF à proximité, à portée de deux emplacements de radars météorologiques de nouvelle génération (NEXRAD) et accessible aux instruments des satellites du réseau de satellites environnementaux opérationnels géostationnaires (GOES) de la NOAA. Boggs a déterminé que les données de ces systèmes étaient disponibles et a travaillé avec ses collègues pour les rassembler en vue de les analyser.
« Les données détaillées ont montré que ces courants froids commencent à se propager juste au-dessus du sommet des nuages », a expliqué M. Boggs. « Ils se propagent jusqu’à la basse ionosphère à une altitude de 80-100 km, établissant une connexion électrique directe entre le sommet du nuage et la basse ionosphère, qui est la limite inférieure de l’espace. »
Cette connexion transfère des milliers d’ampères de courant en une seconde environ. La décharge ascendante a transféré une charge négative du nuage à l’ionosphère, ce qui est typique des gigantesques jets.
Les données ont montré qu’au fur et à mesure que la décharge s’élevait du sommet du nuage, des sources radio VHF ont été détectées à des altitudes de 22 à 45 kilomètres), tandis que les émissions optiques des éclairs sont restées près du sommet du nuage à une altitude de 15 à 20 kilomètres. Les données radio et optiques 3D simultanées indiquent que les réseaux de foudre VHF détectent les émissions de la couronne des streamers plutôt que du canal des leaders, ce qui a de vastes implications pour la physique de la foudre au-delà de celle des gigantesques jets.
Pourquoi les gigantesques jets projettent-ils des charges dans l’espace ? Les chercheurs supposent que quelque chose peut bloquer le flux de charge vers le bas, ou vers d’autres nuages. Les enregistrements de l’événement de l’Oklahoma montrent que l’orage a eu peu d’activité d’éclairs avant de lancer le gigantesque jet record.
« Pour une raison quelconque, il y a généralement une suppression des décharges nuage-sol », a déclaré M. Boggs. « Il y a une accumulation de charges négatives, puis nous pensons que les conditions au sommet de l’orage affaiblissent la couche de charge supérieure, qui est généralement positive. En l’absence des décharges d’éclairs que nous voyons normalement, le gigantesque jet peut soulager l’accumulation de la charge négative excessive dans le nuage. »
Pour l’instant, de nombreuses questions restent sans réponse concernant les gigantesques jets, qui font partie d’une catégorie de mystérieux événements lumineux transitoires. En effet, les observations sont rares et sont le fruit du hasard, qu’il s’agisse de pilotes ou de passagers d’avions qui les voient par hasard ou d’observateurs au sol qui utilisent des caméras de nuit.
Les estimations de la fréquence des jets géants vont de 1 000 à 50 000 par an. Ils ont été signalés plus souvent dans les régions tropicales du globe. Cependant, le gigantesque jet de l’Oklahoma – qui était deux fois plus puissant que le suivant – ne faisait pas partie d’un système de tempête tropicale.
Au-delà de leur nouveauté, les gigantesques jets pourraient avoir un impact sur le fonctionnement des satellites en orbite terrestre basse, a déclaré M. Boggs. Au fur et à mesure que ces véhicules spatiaux sont lancés, la dégradation des signaux et les problèmes de performance pourraient devenir plus importants. Les gigantesques jets pourraient également avoir un impact sur des technologies telles que les radars « au-dessus de l’horizon » qui font rebondir les ondes radio sur l’ionosphère.
M. Boggs est affilié au Severe Storms Research Center, qui a été créé au GTRI pour mettre au point de meilleures technologies d’alerte en cas de tempêtes violentes, comme les tornades, qui sont fréquentes en Géorgie. Les travaux sur les gigantesques jets et autres phénomènes atmosphériques s’inscrivent dans le cadre de cet effort.
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