Le tonnerre et la foudre ont suscité la crainte et la peur chez les humains depuis des temps immémoriaux. Dans les cultures modernes et anciennes, on pense souvent que ces phénomènes naturels sont gouvernés par certains des dieux les plus importants et les plus puissants - Indra dans l'hindouisme, Zeus dans la mythologie grecque et Thor dans la mythologie nordique.

Nous savons que les orages peuvent déclencher un certain nombre d'effets remarquables, le plus souvent des coupures de courant, tempêtes de grêle et animaux cachés sous les lits. Mais il s'avère que nous avons encore des choses à apprendre à leur sujet. Une nouvelle étude, publié dans Nature, a maintenant montré que les orages peuvent également produire de la radioactivité en déclenchant des réactions nucléaires dans l'atmosphère.

Cela peut ressembler à l'intrigue d'un désastre de science-fiction à succès. Mais en réalité, Ce n'est pas une raison de s'inquiéter. Depuis le début du 20e siècle, les scientifiques ont été conscients des rayonnements ionisants – des particules et des ondes électromagnétiques pouvant endommager les cellules – qui pleuvent dans l'atmosphère terrestre depuis l'espace. Ce rayonnement peut réagir avec des atomes ou des molécules, transportant suffisamment d'énergie pour libérer les électrons des atomes ou des molécules. Il laisse donc derrière lui un « ion » avec une charge électrique positive.

Il y a un peu plus d'un siècle, le physicien autrichien Victor Hess a effectué des mesures d'ionisation dans une montgolfière à cinq kilomètres au-dessus de la surface de la Terre. Il a noté que le taux d'ionisation augmentait rapidement avec l'altitude, l'inverse de ce à quoi on pourrait s'attendre si la source du rayonnement ionisant venait du sol. Hess a donc conclu qu'il doit exister une source de rayonnement à très haut pouvoir de pénétration située au-dessus de l'atmosphère. Il a été nommé co-récipiendaire du prix Nobel de physique en 1936 pour sa découverte, plus tard surnommé « rayons cosmiques ».

Nous savons maintenant que les rayons cosmiques sont constitués de particules chargées :principalement, électrons, noyaux atomiques et protons – ces derniers constituent le noyau avec les neutrons. Certains proviennent du soleil, tandis que d'autres proviennent des lointaines explosions d'étoiles mortes dans notre galaxie, connu sous le nom de supernova. Lorsque ces rayons cosmiques pénètrent dans l'atmosphère terrestre, ils interagissent avec les atomes et les molécules pour produire une pluie de particules subatomiques. Parmi ceux-ci se trouvent les neutrons, qui n'ont pas de charge électrique.

Ce sont ces neutrons qui permettent la datation au radiocarbone. La plupart des atomes de carbone ont six protons et six ou sept neutrons dans leur noyau (appelés respectivement "isotopes 12C et 13C"). Cependant, les neutrons produits par les rayons cosmiques peuvent réagir avec l'azote atmosphérique pour créer du 14C, un isotope lourd et instable du carbone qui, heures supplémentaires, "se désintégrera radioactivement" (se divisera tout en émettant un rayonnement) en azote.

Dans la nature, Le 14C est incroyablement rare et ne représente qu'un atome de carbone sur mille milliards. Mais, outre son poids et ses propriétés radioactives, Le 14C est fondamentalement identique aux isotopes du carbone les plus courants. Il s'oxyde pour former du dioxyde de carbone et entre dans la chaîne alimentaire car les plantes absorbent le CO radioactif 2 .

Le rapport de 12C à 14C dans un organisme donné commencera à changer lorsque cet organisme mourra et cessera d'ingérer du carbone. Le 14C déjà présent dans son système commence alors à se désintégrer. C'est un processus lent puisque le 14C a une demi-vie radioactive de 5, 730 ans, mais c'est prévisible, ce qui signifie que les échantillons organiques peuvent être datés en mesurant le rapport de 12C à 14C restant.

De cette façon, les rayons cosmiques sont responsables des réactions nucléaires dans l'atmosphère terrestre. Jusqu'à aujourd'hui, nous pensions que c'était le seul canal naturel produisant des éléments radioactifs comme le 14C. Le mot "nucléaire", si sinistre lorsqu'il est associé à "bombe" ou "déchet", fait simplement référence aux changements qui se produisent dans un noyau atomique.

Chasser les neutrons

Il y a presque 100 ans, le célèbre physicien et météorologue écossais Charles Wilson a suggéré que les orages pourraient également déclencher des réactions nucléaires dans l'atmosphère. Wilson, qui a effectué des travaux de terrain à l'observatoire météorologique isolé au sommet du Ben Nevis, la plus haute montagne de Grande-Bretagne, était fasciné par la formation des nuages ​​orageux et l'électricité atmosphérique. Cependant, sa suggestion a précédé la découverte du neutron - l'un des produits révélateurs des réactions nucléaires - de sept ans, sa proposition n'a donc pas pu être testée.

Depuis l'époque de Wilson, il y a eu de nombreuses études qui ont prétendu avoir détecté des neutrons produits par les orages, mais aucun ne s'est avéré définitif. D'autres ont recherché un rayonnement électromagnétique énergétique (rayons X et rayons gamma) qui accompagne l'avalanche d'électrons de haute énergie que nous savons produite par la foudre dans les nuages ​​orageux. Les calculs montrent que ces électrons et rayons gamma peuvent éliminer les neutrons de l'azote et de l'oxygène dans l'atmosphère. Mais bien que les rayons X et gamma aient été observés, il n'y a jamais eu d'observation directe des réactions nucléaires qui se produisent lors d'un orage.

La nouvelle étude utilise une approche différente. Au lieu de chercher les neutrons insaisissables, les auteurs s'appuient sur d'autres sous-produits des réactions nucléaires. Si les électrons et les rayons gamma provoquent la formation d'isotopes instables d'azote et d'oxygène par des réactions nucléaires à la suite d'un coup de foudre, ceux-ci devraient se désintégrer après quelques minutes pour former des isotopes stables de carbone et d'azote.

Surtout, cette désintégration produit une particule appelée « positron », la version "antimatière" de l'électron. Toutes les particules ont des versions d'antimatière d'elles-mêmes - celles-ci ont la même masse mais la charge opposée. Lorsque l'antimatière et la matière entrent en contact, ils s'annihilent en un éclair d'énergie. C'est l'énergie recherchée par les chercheurs. À l'aide de détecteurs de rayonnement surplombant la mer du Japon, ils ont observé les empreintes digitales des rayons gamma sans ambiguïté de l'annihilation positron-électron ayant lieu immédiatement après les éclairs dans les nuages ​​​​d'orage hivernaux bas. C'est une preuve claire que des réactions nucléaires ont lieu dans les nuages ​​orageux.

Ces résultats sont importants car ils démontrent une source d'isotopes jusque-là inconnue dans l'atmosphère terrestre. Il s'agit notamment du carbone-13, carbone-14 et azote-15 mais des études futures pourraient aussi en révéler d'autres, comme les isotopes de l'hydrogène, l'hélium et le béryllium.

Les résultats ont également des implications pour les astronomes et les planétologues. D'autres planètes de notre système solaire ont des orages dans leur atmosphère qui pourraient contribuer à la composition de leur atmosphère. L'une de ces planètes est Jupiter, qui est à juste titre aussi le dieu du tonnerre dans la mythologie romaine antique.

Cet article a été initialement publié sur The Conversation. Lire l'article original.