À l'écoute de l'énergie des éclairs
Publié par Redbran le 31/10/2019 à 14:00
Source: CNRS INSIS
Chacun sait que compter les secondes entre l'apparition d'un éclair et l'arrivée du tonnerre donne la distance à laquelle tombe la foudre. Des chercheurs de l'Institut Jean Le Rond d'Alembert et du CEA ont montré que ce son permet également d'estimer l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) d'un éclair. Dans ces travaux publiés dans Geophysical Research Letters, les scientifiques déduisent la géométrie (La géométrie est la partie des mathématiques qui étudie les figures de l'espace de dimension 3 (géométrie euclidienne) et, depuis le...) des éclairs grâce à un réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit rets », c'est-à-dire un petit...) de micros, puis en calculent l'énergie.


© Institut Jean le Rond ( Le mot rond caractérise et par abus de langage désigne un cercle ou une sphère. En argot, un rond c'est un sou. Une affaire rondement menée est une affaire traitée rapidement en ayant passé tous les obstacles sans...) d'Alembert Énergie acoustique (L’acoustique est une branche de la physique dont l’objet est l’étude des sons et des ondes mécaniques. Elle fait appel aux phénomènes ondulatoires...) du tonnerre (Le tonnerre est un bruit qui est produit par l'expansion brutale de la fine colonne d'air qui a été chauffé très rapidement par la foudre au cours d'un orage.) en fonction de la distance d'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré explique la très grande participation des...) en km au point (Graphie) d'impact au sol de l'éclair. Les carrés représentent les éclairs simulés et les triangles les mesures HyMeX. Les deux suivent un comportement similaire.

Les éclairs rééquilibrent la charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui...) électrostatique (L'électrostatique traite des charges électriques immobiles et des forces qu'elles exercent entre elles, c’est-à-dire de leurs interactions.) entre deux nuages, ou entre un nuage (Un nuage est une grande quantité de gouttelettes d’eau (ou de cristaux de glace) en suspension dans l’atmosphère. L’aspect d'un nuage dépend de la...) et le sol. Cette décharge électrostatique augmente localement la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de...) de plusieurs dizaines de milliers de degrés, provoquant une onde de choc (Une onde de choc est un type d'onde, mécanique ou d'une autre nature, associé à l'idée d'une transition brutale. Elle peut prendre la forme d'une vague de haute pression, et elle est alors souvent créée...) qui se propage dans l'atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :): le tonnerre. Si l'on sait utiliser ce son pour estimer la distance à laquelle un éclair a frappé, des chercheurs de l'Institut Jean Le Rond d'Alembert (CNRS/Sorbonne Université) et du CEA sont parvenus à s'en servir pour mesurer la puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) de l'éclair. Un paramètre (Un paramètre est au sens large un élément d'information à prendre en compte pour prendre une décision ou pour effectuer un calcul.) qui souffre d'une incertitude allant jusqu'à trois ordres de grandeur.

L'équipe a pour cela utilisé les données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement,...) mesurées en 2012 dans le cadre du projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et l’intégration d’une grande diversité de...) européen HyMeX, qui étudie le climat (Le climat correspond à la distribution statistique des conditions atmosphériques dans une région donnée pendant une période de temps donnée. Il se distingue de la météorologie qui désigne l'étude...) méditerranéen. Quatre microphones ont enregistré pendant deux mois (Le mois (Du lat. mensis «mois», et anciennement au plur. «menstrues») est une période de temps arbitraire.), et en continu, le son émanant du ciel (Le ciel est l'atmosphère de la Terre telle qu'elle est vue depuis le sol de la planète.) des Cévennes, une région particulièrement frappée par les orages. Ces enregistrements ont d'abord servi à reconstruire la géométrie des éclairs, en prouvant la corrélation entre la localisation des sources acoustiques et électromagnétiques. Puis, les chercheurs les ont à nouveau utilisés pour isoler, au sein du tonnerre, le signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux lumineux sont employés...) acoustique provenant de certaines de ses branches, notamment le canal principal qui connecte le nuage orageux et le sol. Or on peut calculer le tonnerre d'un éclair à partir de sa géométrie et de son énergie. Les chercheurs ont alors comparé les tonnerres recueillis sur le terrain à une banque de données de tonnerres simulés issue de 72 éclairs virtuels, statistiquement conformes aux vrais éclairs. Cela a montré que les mesures acoustiques donnent de très bons résultats pour estimer l'énergie des éclairs à polarité négative, qui représentent 90 % des décharges sol-nuage, et ce à une distance comprise entre trois et douze kilomètres (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système international. Il est défini comme la distance parcourue par la lumière dans le vide en...) des micros.

Références:

Acoustical energy of return strokes: a comparison between a statistical model and measurements,
Lacroix, F. Coulouvrat, R. Marchiano, Th. Farges, J.-F. Ripoll.
Geophysical Research Letters (octobre 2019)
DOI: https://doi.org/10.1029/2019GL085369

Contact:
- François Coulouvrat - francois.coulouvrat at upmc.fr
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