Un avion espion observe comment les tempêtes produisent des nuages ​​radioactifs et d’antimatière | Science

En 1960, l’Union soviétique a abattu l’avion du pilote américain Francis Gary Powers alors qu’il survolait Ekaterinbourg. L’aviateur a été capturé vivant et condamné à 10 ans de prison, tandis que les restes du fuselage ont été exposés au public. C’est ce qu’on a appelé l’incident U2, du nom de l’avion espion piloté par Powers, conçu à la demande de la CIA pour voler à haute altitude et photographier les arsenaux communistes sans être détecté.

Six décennies plus tard, le même type d’avion, converti à des fins scientifiques, a permis d’observer comme jamais auparavant ce qui se passe à l’intérieur d’un orage. Malgré la possibilité d’étudier ces processus depuis la Terre et depuis l’espace, on ignore comment se déclenchent les rayons, capables de chauffer l’espace d’un instant l’atmosphère à 20 000 degrés, soit trois fois plus que la surface du Soleil.

En juillet 2023, l’Agence spatiale américaine a effectué 10 vols avec son avion ER-2, du même type que les U2 de la guerre froide. Son objectif était de réaliser une expérience sans précédent : grimper jusqu’à 20 kilomètres et survoler le plus de fois possible les pires tempêtes tropicales qui se trouvaient à cette époque dans les Caraïbes et en Amérique centrale. Cet avion à réaction est capable de planer pendant des heures chargé d’instruments scientifiques. Sur Terre, une équipe de chercheurs, de météorologues et de militaires guident l’aviateur et l’avertissent de l’endroit où va se produire le prochain choc électrique avec un mot de code : « glow ! » Le pilote passe à seulement deux kilomètres et demi des nuages ​​et de leurs décharges électriques. C’est la science la plus proche d’une tempête.

Les résultats de la campagne révèlent que les tempêtes génèrent de la radioactivité sous forme de rayons gamma, type de rayonnement également produit par les explosions nucléaires ou la désintégration d’éléments comme l’uranium. Bien que d’autres expériences aient démontré l’existence de ce phénomène, les dimensions observées par l’avion espion de la NASA sont inédites. Les tempêtes génèrent des rayons gamma pendant des heures et couvrent des zones de plus de 9 000 kilomètres carrés.

en deux études publié ce mercredi à Natureréférence de la meilleure science mondiale, les scientifiques comparent le phénomène à une casserole d’eau bouillante. Chaque bulle correspondrait à une lueur de rayons gamma qui dure quelques fractions de seconde et qui éclaire le ciel d’éclairs lumineux invisibles à l’œil humain.

En raison de sa conception, un seul pilote peut voler à l’intérieur de l’ER-2, vêtu d’une combinaison pressurisée comme celle des astronautes. L’un d’eux a déclaré que les nuages ​​avaient “une étrange couleur violette en raison du rythme fou auquel les éclairs se déclenchaient”, explique à Steve Cummer, ingénieur électricien à l’Université Duke (États-Unis), et co-auteur de la première étude. ce journal. “Pour la première fois, nous savons que ce processus est très courant, de sorte que les rayons, un processus visuel spectaculaire, et les rayons gamma, invisibles sans équipement approprié, travaillent à l’unisson pour décharger l’énergie”, détaille-t-il.

Les nuages ​​​​orageux sont les plus grands accélérateurs naturels de particules sur Terre, résume Martino Marisaldiphysicien à l’Université de Bergen en Norvège et co-auteur de la deuxième étude. « À tout moment, sur la planète, nous avons environ 2 000 nuages ​​d’orage actifs et environ 45 éclairs se produisent chaque seconde. C’est l’un des processus les plus puissants que l’on puisse imaginer et il est essentiel de comprendre comment il se produit », souligne-t-il.

La grande inconnue concernant la foudre est que pour la produire, il faut des champs électriques dix fois supérieurs à ceux observés jusqu’à présent dans les tempêtes, de sorte que l’on ne sait pas comment la décharge électrique est réellement déclenchée.

Ces scientifiques ont découvert un nouveau type de rayon gamma au sein de la tempête appelé flash gamma vacillant (TGF). Ce phénomène est « le chaînon manquant » qui relie les deux types de rayons gamma déjà connus, les lueurs, qui peuvent durer plus d’une minute, et les éclairs au sol, qui sont plus intenses mais durent des microsecondes. Les TGF se produisent juste après les éclairs et avant la foudre. Cela implique qu’il existe un processus jusqu’à présent inconnu qui décharge une partie de l’énergie sous forme de rayons gamma, et qui pourrait à son tour être l’étape préalable à la formation de la foudre.

“Si ce processus ne se produisait pas, les tempêtes seraient beaucoup plus électrifiées et généreraient probablement des décharges beaucoup plus puissantes et dangereuses”, reconnaît Cummer. Les nouvelles informations correspondent bien à ce que l’on savait d’un point de vue cosmologique : les rayons gamma sont le rayonnement le plus puissant de l’univers et en fractions de seconde ils libèrent plus d’énergie que toutes les étoiles de l’univers.

Un autre processus au nom de film de science-fiction se produit également dans les nuages ​​d’orage : une avalanche d’électrons relativistes incontrôlables. Ils sont relativistes car ils se déplacent presque à la vitesse de la lumière, la limite maximale autorisée dans l’univers, selon la théorie de la relativité d’Albert Einstein. Lorsque ces électrons entrent en collision avec des molécules d’air, ils génèrent des électrons et des photons de haute énergie. Le potentiel à l’intérieur du nuage devient si grand que des positrons, particules d’antimatière complémentaires de l’électron, mais avec des charges opposées, sont également créés. “Nous savons maintenant que de nombreuses tempêtes émettent des rayons gamma et créent de l’antimatière”, résume Cummer.

Les responsables des travaux estiment qu’ils sont désormais un peu plus près de comprendre exactement comment la foudre est générée. “Pour la première fois, nous constatons que les rayons gamma ne sont pas une curiosité scientifique, mais un processus fondamental qui se produit probablement dans toutes les tempêtes présentant des champs électriques suffisamment importants”, souligne Marisaldi. Cela inclurait non seulement les produits tropicaux, mais également ceux qui peuvent être produits en Europe, dit-il. “Ce travail nous montre désormais la voie à suivre pour continuer à étudier comment la production de particules énergétiques génère la foudre, l’une des plus grandes énigmes de la physique atmosphérique”, ajoute-t-il.

Les scientifiques estiment que les tempêtes de rayons gamma ne présentent aucun risque pour les humains. Il faudrait être très proche d’un de ces flashs pour recevoir une dose significative. Ce qui comporte des risques, c’est de se rapprocher d’une tempête. La chose la plus dangereuse dans le fait de placer un avion dans l’une de ces tempêtes serait l’énorme turbulence, qui pourrait renverser le navire. La foudre, en revanche, n’est pas trop inquiétante. Il est relativement courant qu’un avion commercial reçoive un choc électrique. environ deux fois par an—, et dans la plupart des cas, il n’y a aucun dommage.

Ces deux nouveaux travaux s’inscrivent dans un domaine émergent : la physique atmosphérique des hautes énergies, explique le physicien et mathématicien dans un commentaire indépendant. Joseph Dwyerde l’Université du New Hampshire (États-Unis). “Il est étonnant que deux décennies après le début du 21e siècle, l’atmosphère terrestre réserve suffisamment de surprises pour inaugurer un tout nouveau domaine scientifique.” Les études réalisées avec des appareils comme le vieil avion espion de la NASA pourraient constituer « une révolution dans notre compréhension de l’électrification des tempêtes et de la foudre », ajoute-t-il.