Yuuki Wada, étudiant diplômé de l'Université de Tokyo, et des collègues japonais ont découvert un lien entre les éclairs et deux types de phénomènes de rayons gamma dans les nuages ​​orageux. La recherche suggère que dans certaines conditions, de faibles lueurs de rayons gamma provenant des nuages ​​orageux peuvent précéder les éclairs et les éclairs de rayons gamma qui les accompagnent.

Dans la ville de Kanazawa, Préfecture d'Ishikawa, au centre du Japon, Wada et ses collègues travaillent avec des écoles et des entreprises locales pour installer des moniteurs de rayonnement sur les bâtiments. Ces moniteurs de rayonnement forment un réseau pour détecter le rayonnement provenant du ciel. Étonnamment, on sait depuis une trentaine d'années que les orages peuvent entraîner une activité de rayons gamma.

"Les gens ont toujours vu les éclairs et entendu le tonnerre. C'était ainsi que nous pouvions expérimenter ce pouvoir de la nature, " dit Wada. " Avec la découverte de l'électromagnétisme, les scientifiques ont appris à voir la foudre avec des récepteurs radio. Mais maintenant, nous pouvons observer la foudre dans les rayons gamma, les rayonnements ionisants. C'est comme avoir quatre yeux pour étudier les phénomènes."

Il existe deux types connus de phénomènes de rayons gamma associés aux nuages ​​orageux :les lueurs de rayons gamma, faibles émissions qui durent environ une minute, et les flashs gamma terrestres de courte durée (TGF), qui se produisent comme des éclairs et sont beaucoup plus intenses que les rayons gamma. Les deux se produisent dans des régions de nuages ​​orageux pris en sandwich entre des couches de charge variable. Les régions chargées accélèrent les électrons à près de la vitesse de la lumière. A ces vitesses relativistes, les électrons qui s'éloignent très près des noyaux des atomes d'azote dans l'air ralentissent légèrement et émettent un rayon gamma révélateur. C'est ce qu'on appelle le rayonnement de Bremsstrahlung.

« Lors d'un orage hivernal à Kanazawa, nos moniteurs ont détecté un TGF et un coup de foudre simultanés. C'est assez courant, mais intéressant, nous avons également vu une lueur gamma dans la même zone au même moment, " continua Wada. " De plus, la lueur a brusquement disparu lorsque la foudre a frappé. Nous pouvons dire de manière concluante que les événements sont intimement liés et c'est la première fois que cette connexion est observée."

Le mécanisme sous-jacent à la décharge de foudre est très recherché, et cette recherche peut offrir des informations jusqu'alors inconnues. Wada et son équipe ont l'intention de faire avancer leur enquête pour explorer la possibilité que les rayons gamma ne précèdent pas seulement les éclairs, mais peut en fait les causer. Les niveaux de rayonnement des flashs gamma sont assez faibles, environ un dixième du niveau d'une radiographie médicale typique.

"Notre découverte marque une étape importante dans la recherche sur la foudre, et nous allons bientôt doubler notre nombre de capteurs de rayonnement de 23 à environ 40 ou 50. Avec plus de capteurs, nous pourrions grandement améliorer les modèles prédictifs, " expliqua Wada. " C'est difficile à dire maintenant, mais avec suffisamment de données de capteur, nous pouvons être en mesure de prédire les éclairs dans les 10 minutes environ qui suivent, et à environ deux kilomètres de l'endroit où ils se produisent. Je suis ravi de faire partie de cette recherche en cours. »

D'autres enquêtes auront probablement également lieu à Kanazawa, car la région a des conditions météorologiques rares et idéales pour ce genre de travail. La plupart des observations de rayonnement dans les tempêtes proviennent de stations aéroportées ou en montagne, car les nuages ​​orageux sont généralement très hauts. Mais les tempêtes hivernales à Kanazawa amènent des nuages ​​d'orage étonnamment près du sol, idéal pour étudier avec les moniteurs portables à faible coût développés par l'équipe de recherche.

Les chercheurs ont créé ces moniteurs de rayonnement portables uniques en partie avec une technologie dérivée des observatoires satellitaires spatiaux conçus pour les expériences d'astrophysique. C'est approprié, car les données de ce type de recherche pourraient être utiles pour ceux qui recherchent l'astrophysique, et en particulier, la physique solaire dans le contexte de l'accélération des particules. Mais il y a une ramification plus terre-à-terre, également.

"Les paléontologues qui étudient la vie des 50 dernières années, 000 ans environ utilisent une technique appelée datation au carbone 14 pour déterminer l'âge d'un échantillon. La technique repose sur la connaissance des teneurs de deux types de carbone, carbone-12 et carbone-14, " a déclaré Wada. " On pense généralement que le carbone 14 est créé par les rayons cosmiques à un taux à peu près constant, d'où le pouvoir prédictif de la technique. Mais il y a une suggestion que les orages peuvent modifier le rapport du carbone 12 au carbone 14, ce qui peut légèrement modifier la précision ou l'étalonnage requis pour que la datation au carbone 14 fonctionne."

Wada et ses collègues continueront à percer les mystères de la foudre, l'un des phénomènes les plus captivants et emblématiques de la nature. Un prochain projet collaboratif basé en France lancera un satellite dédié aux observations mondiales de la foudre depuis l'espace.

La recherche est rapportée dans Physique des communications .