Aux États-Unis, une équipe de chercheurs propose une explication précise au déclenchement de la foudre, longtemps resté invisible au cœur des orages.
Le média en ligne The Brighter Side of News rapporte les travaux menés autour de Victor Pasko, professeur d’ingénierie électrique à l’université d’État de Pennsylvanie. Leur modèle relie, dans un même mécanisme, les champs électriques des nuages, les électrons très énergétiques, les rayons X et les rayons gamma.
Le premier instant d’un éclair enfin mieux compris
La foudre fascine autant qu’elle inquiète. Son trajet dans l’atmosphère est étudié depuis longtemps, mais son véritable point de départ dans un nuage orageux restait difficile à expliquer. Les scientifiques savaient comment un éclair se propage une fois formé. Ils cherchaient encore le processus capable d’amorcer cette décharge électrique.
Dans un cumulonimbus, les gouttelettes d’eau, les cristaux de glace et l’air sont soumis à des mouvements très violents. Ces interactions séparent et accumulent des charges électriques. Elles créent alors des champs électriques puissants au sein du nuage.
Lorsque ce champ atteint un niveau critique, il accélère des électrons déjà présents dans l’atmosphère. Certains proviennent notamment des rayons cosmiques, ces particules venues de l’espace qui frappent en permanence les hautes couches de l’air.
Un seul électron accéléré peut lancer une réaction en chaîne capable de créer les conditions nécessaires à la naissance d’un éclair.
Projetés à très grande vitesse, ces électrons percutent les molécules d’azote et d’oxygène. Ces collisions produisent des rayons X. À leur tour, les rayons X libèrent d’autres électrons par effet photoélectrique. Le phénomène peut alors s’emballer dans une zone très réduite du nuage.
Une avalanche d’électrons dans le nuage
L’étude s’appuie sur un modèle mathématique nommé modèle de décharge par rétroaction photoélectrique. Les chercheurs l’avaient présenté une première fois en 2023 avant de l’utiliser pour reproduire les conditions observées lors de véritables orages.
Le doctorant Zaid Pervez a participé à cette vérification. Les résultats du modèle ont été comparés à des relevés réalisés par des satellites, des capteurs au sol et des avions de recherche évoluant à haute altitude.
Victor Pasko estime que ces travaux apportent « la première explication précise et quantitative de la manière dont la foudre débute dans la nature ». Selon lui, ils permettent de relier les rayons X, les champs électriques et la physique des avalanches d’électrons.
Zaid Pervez explique pour sa part que l’équipe a pu préciser les conditions présentes dans les nuages avant l’apparition d’un éclair. Le modèle aide aussi à interpréter la diversité des signaux radio détectés dans les nuages juste avant une décharge.
- Un champ électrique accélère les électrons présents dans l’air.
- Les collisions avec les molécules atmosphériques émettent des rayons X.
- Ces rayons X libèrent de nouveaux électrons.
- L’avalanche d’électrons augmente brutalement l’énergie locale.
- Les conditions deviennent favorables au départ de la foudre.
Pourquoi certains orages émettent des rayons gamma
Les travaux éclairent aussi un autre phénomène observé depuis les années 1990 : les éclairs gamma terrestres. Il s’agit de bouffées très brèves de rayons gamma produites dans l’atmosphère terrestre et associées aux orages.
Ces émissions ont longtemps dérouté les spécialistes. Certaines semblent apparaître sans éclair lumineux évident ni signal radio particulièrement fort. Un orage peut donc paraître relativement discret tout en générant un rayonnement de très haute énergie.
Le nouveau modèle propose une explication. Les avalanches d’électrons ne présentent pas toutes la même intensité. Certaines restent compactes et de courte durée. Elles peuvent produire des rayons X ou gamma détectables, sans générer assez de lumière ou de perturbations radio pour signaler un éclair classique.
La même physique pourrait expliquer la foudre visible, les émissions gamma et plusieurs décharges discrètes qui restent confinées à l’intérieur des nuages.
Victor Pasko indique que les rayons X produits par les avalanches relativistes créent rapidement de nouveaux électrons par effet photoélectrique dans l’air. Ce mécanisme expliquerait pourquoi certains éclairs gamma proviennent de zones qui semblent faibles optiquement et silencieuses sur le plan radio.
Des phénomènes électriques longtemps séparés
Les scientifiques observent aussi des décharges courtes entre des zones nuageuses. Elles émettent des signaux radio, mais peu de lumière visible et ne deviennent pas forcément des éclairs. Les résultats obtenus par l’équipe suggèrent qu’elles relèvent du même processus, arrêté avant d’atteindre le stade d’une décharge complète.
De faibles variations de l’intensité du champ électrique peuvent donc changer radicalement le résultat : une émission gamma brève, un signal radio isolé, une décharge interne ou un éclair visible. Cette continuité donne une nouvelle lecture de phénomènes qui semblaient jusque-là sans lien direct.
Ce que cette avancée peut changer en France
En France, Météo-France surveille l’activité orageuse et diffuse des vigilances météorologiques lorsque des phénomènes dangereux sont attendus. La prévision exacte du point d’impact d’un éclair reste impossible. Mieux comprendre le déclenchement de la foudre peut néanmoins aider les chercheurs à améliorer les modèles d’orage et l’évaluation du risque électrique.
Les conséquences concernent les habitants, mais aussi les réseaux électriques, les télécommunications, les bâtiments équipés de paratonnerres et le transport aérien. Les émissions de rayons X et de rayons gamma liées aux orages intéressent particulièrement les acteurs qui surveillent les équipements embarqués dans les avions et les satellites.
La France participe aussi à cette recherche internationale. Parmi les coauteurs figurent Sébastien Célestin, de l’université d’Orléans, et Anne Bourdon, de l’École polytechnique. Le Centre national d’études spatiales et l’Institut universitaire de France ont soutenu ces travaux avec plusieurs organismes étrangers.
Le réflexe à adopter lors d’un orage
Cette avancée scientifique ne change pas les règles de prudence face à la foudre. Dès que le tonnerre se fait entendre, le danger existe, même si la pluie paraît faible ou éloignée. Un bâtiment fermé constitue un abri adapté. Il faut éviter les espaces ouverts, les arbres isolés, les points hauts et les zones d’eau.
La foudre frappe la Terre environ cinquante fois par seconde, selon les éléments rapportés dans l’article. Derrière le flash visible depuis le sol se joue donc, dans une fraction de seconde, une cascade microscopique d’électrons et de rayonnements au cœur du nuage.
