Les Sylphes Rouges et les Jets-Bleus |
Farfadets à Saint-Raphaël (Sylphes Rouges) |
P.P. - NICE MATIN > 26 Septembre > 2023 |
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O.D. - SCIENCE & VIE N°1243 > Avril > 2021 |
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Là où la Foudre monte au Ciel |
V.N. - SCIENCE & VIE N°1201 > Octobre > 2017 |
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On a enfin pu Analyser des Jets Lumineux Géants |
Des décharges électriques prenant leur source au cour d'un nuage d'orage et se propageant au-dessus de lui sur des dizaines de kilomètres.
Voici ce qu'a pu photographier et filmer Patrice Huet, de la Maison du Volcan à la Réunion. Analysés par Serge Soula, de l'université de Toulouse, ces documents inédits ont permis, pour la première fois, de caractériser en détail la structure et la dynamique des jets géants, un phénomène lumineux connu depuis 2001. Les jets sont précédés d'une série de flashs probablement dus à des décharges électriques à l'intérieur du nuage, mais qui n'atteignent pas le sol. Ils démarrent ensuite dans la zone la plus électriquement active, emportant une charge négative qui peut aller jusqu'à plusieurs centaines de coulombs, à plus de 80 km d'altitude. Au total, leur durée s'étale de 333 à 850 millisecondes. La base d'un jet géant est bleue et la partie supérieure produit une lumière rouge. Le jet se propage en accélérant après 50 km d'altitude : sa vitesse passe de 1000 à 10.000 km par seconde.
S.F. - SCIENCE & VIE > Décembre > 2011 |
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Presque la Fin du Mystère des Sylphes Rouges |
Ce n'est que depuis une vingtaine d'années que les scientifiques connaissent l'existence de mystérieux phénomènes lumineux appelés "sylphes rouges" (red sprites, en anglais) présents dans la haute atmosphère, tout en ignorant le scénario de leur apparition. De nouveaux travaux dévoilent enfin ce secret en liant notamment la naissance des sylphes à la forme d'enclume des énormes nuages d'orage.
Un flash rouge, puis un autre... De gigantesques éclairs, dont les ramifications atteignent jusqu'à 90 kilomètres d'altitude, illuminent toutes les 20 secondes en moyenne un point de la haute atmosphère terrestre, à l'aplomb d'orages géants. Un bien étrange phénomène, que les scientifiques baptisent "sylphes rouges", en référence aux insaisissables esprits de l'air des contes. Bien vu. Car les sylphes rouges, si banals et immenses qu'ils soient, ne se laissent pas attraper facilement. D'ailleurs, ils n'ont été formellement décrits qu'au début des années 1990 : on les tenait auparavant pour des hallucinations (voir ci-dessous). La raison tient à leur vie éphémère : ils ne brillent que pendant quelques millisecondes ! Or, voici que ces créatures flamboyantes livrent peu à peu leurs secrets.
Difficiles à observer, ces éclairs géants éclatant vers 90 km d'altitude ne durent que quelques millisecondes, comme le montre ce film de 2006 du physicien Steve Cummer.
IDENTIFIÉS EN 1989 GRÂCE À L'OBSERVATION D'UNE FUSÉE
En raison de leur extrême brièveté de l'ordre de quelques millisecondes et malgré leur fréquence relativement élevée à l'échelle de la Terre, les sylphes rouges sont restés longtemps ignorés des scientifiques. Certes, les pilotes d'avion évoquaient bien de mystérieuses carottes de lumière rouge apparaissant à l'horizon. Mais ces témoignages, au même titre que ceux de scientifiques éminents des années 1950 jusqu'aux années 1980, ont été rangés dans le même dossier que celui des ovnis : celui des hallucinations. C'est finalement le hasard qui va tout changer. En 1989, trois chercheurs américains de l'université du Minnesota, John Winckler, Robert Franz et Robert Nemzek, testent une caméra ultra-sensible destinée à suivre une fusée à haute altitude. Et c'est la surprise : la vidéo révèle deux gigantesques piliers de lumière, culminant à plus de 30 km au-dessus d'un orage distant ! D'un coup, le phénomène devient une réalité scientifique. Car il existait en fait déjà en théorie : dès les années 1925, le physicien écossais, Charles Thomson Rees Wilson (prix Nobel de physique en 1927), avait envisagé la possibilité de décharges électriques entre le sommet des nuages et l'ionosphère. |
Une chose est désormais sûre : les météorologistes ont établi qu'il s'agit de décharges lumineuses se produisant entre 50 et 90 km d'altitude sous l'influence d'un champ électrique créé entre le sommet des nuages et l'ionosphère (partie supérieure électriquement chargée de l'atmosphère, entre 90 et 800 km d'altitude) à la suite d'un éclair sur terre. Surtout, ils commencent à comprendre comment naissent ces monstres. Un travail qui n'est pas seulement pour la gloire : les sprites pourraient en effet être la source des rayonnements gamma TGF (Terrestrial Gamma Flashs) jusqu'ici attribués aux éclairs. Cette source d'énergie incroyable, que l'on savait venir des étoiles et des réacteurs nucléaires pourrait ainsi avoir des origines terrestres. "La découverte, durant la dernière décennie, des sprites et autres phénomènes lumineux devrait révolutionner notre compréhension de l'environnement terrestre en dévoilant des transferts impulsifs d'énergie entre les couches basses de l'atmosphère et l'espace, explique François Lefeuvre, chercheur au Centre national d'études spatiales (Cnes) et responsable scientifique de la mission Taranis (encadré en bas). Cela a des conséquences sur la chimie de la haute atmosphère comme le bilan ozone et oxyde d'azote, mais aussi sur le circuit électrique de la terre."
Après avoir traqué des centaines d'orages, filmé et photographié des dizaines de sprites, l'équipe américaine du météorologue Walter Lyons (Forensic Meteorology Associates Research, Fort Collins, Colorado) et celle, française, du physicien Serge Soula (laboratoire d'aérologie/Observatoire Midi-Pyrénées, université de Toulouse) ont réussi à révéler certains mécanismes primordiaux de leur formation.
UN PHÉNOMÈNE ÉLECTRIQUE QUI NAIT AU-DESSUS DES NUAGES D'ORAGES
Tout commence par un nuage d'orage, le fameux cumulonimbus : l'air chaud chargé l'humidité s'élève du sol, puis la vapeur d'eau se condense en altitude avec la baisse de température. Cette dynamique engendre des courants d'air très violents qui vont agiter le cour du nuage. Sous l'influence de ces courants ascendants et descendants, les frottements et les chocs entre particules de glace provoquent l'électrisation du nuage. Serge Soula explique : "Les particules les plus lourdes, de charge négative, s'accumulent par gravité à la base du nuage tandis que les particules les plus légères, chargées positivement, sont, elles, entraînées et se concentrent vers le sommet". L'ensemble nuage-terre devient ainsi le siège d'énormes champs électriques : l'orage est prêt à éclater.
Jusque-là, rien que de très banal. Et guère de chances de voir apparaître un sylphe. Pour cela, continue Walter Lyons, il faut d'abord fabriquer un "super orage", ce que les météorologues appellent un "système convectif de moyenne échelle" (ou MCS pour "Mesoscale Convective System"). Moyenne échelle ? Oui, mais à l'échelle de la planète ! Car un MCS, gigantesque association de cumulonimbus fusionnés, peut s'étendre sur plusieurs dizaines à plusieurs centaines de kilomètres et couvrir 100.000 km² (à peu près un cinquième de la surface de l'Hexagone).
LA FORME DU NUAGE EST CAPITALE
Particularité importante pour la suite : la région stratiforme chargée qui se développe au sommet est beaucoup plus étendue que le corps vertical du nuage. Les cristaux légers, chargés positivement, rencontrent en effet, vers 11 km d'altitude, la frontière avec la stratosphère appelée "tropopause" : là, la température se met à augmenter brusquement... Du coup, l'air tiède se heurte à une couche plus chaude qui stoppe son ascension. Faute de pouvoir gagner en hauteur, les particules de glace chargées positivement s'étalent en surface, constituant ainsi l'enclume typique du nuage d'orage, sous laquelle se trouve la terre chargée, elle, négativement. Le physicien Steve A. Cummer, de l'université de Duke (Durham, Caroline du Nord), collègue de Walter Lyons, souligne : "Ce mécanisme lié à l'étalement stratiforme du nuage en altitude est capital. Il explique pourquoi on ne rencontre pas de sprites au-dessus d'un autre type d'orage géant, le 'supercell', qui, lui, se présente plutôt comme un système vertical. C'est ce qu'ont permis d'établir pour la première fois nos propres observations : c'est seulement quand la partie élargie du nuage est formée qu'apparaissent les sprites en nombre."
UN COURANT ÉLECTRIQUE ÉNORME
Ce type de nuage stratiforme est une véritable usine à sylphes rouges. ->
Grâce à l'enclume se crée en effet un immense condensateur naturel constitué de deux plaques chargées - la terre négative au sol, le nuage stratiforme positif - que sépare un média plus ou moins isolant : l'air humide. Lorsque le champ électrique atteint une certaine valeur entre la charge positive et le sol, une décharge se produit localement et se propage vers la terre, sous forme d'un éclair "nuage-sol", ou CG (cloud to ground) en jargon météo. "La succession d'éclairs va alors vider l'énorme réservoir de charges positives en altitude, qui se trouve neutralisé, explique Serge Soula. Mais la base du nuage, elle, reste négativement chargée ! C'est alors que s'enclenche le mécanisme, survenant quelques millisecondes après l'éclair CG, qui génère le sprite." La charge négative du nuage induit en effet dans l'ionosphère, à environ 90 km d'altitude, la concentration d'un réservoir de charges positives. L'effet condensateur se répète, avec apparition d'un nouveau champ électrique, cette fois entre nuage et ionosphère. Il se produit alors vers 75 km une étincelle : le sylphe est né.
Ce sont les phénomènes de perturbation électrique liés à la décharge qui vont lui donner sa forme et sa couleur caractéristiques : électrons et ions sont précipités dans la mésosphère (la couche intermédiaire entre stratosphère et ionosphère, qui s'étend entre 50 et 90 km d'altitude) où ils heurtent les molécules d'azote de l'air, créant ainsi les filaments d'ionisation. Excitées par le contact, ces molécules perdent de l'énergie en émettant un rayonnement électromagnétique dans la longueur d'onde du rouge visible.
Un MCS, une fois mature, devient une véritable usine à sprites : à partir d'un réservoir de 1300 km² situé à 5000 mètres d'altitude, Walter 
Lyons et Steve A. Cummer ont pu identifier des neutralisations de charges de l'ordre de 300 coulombs, avec des courants de 112.000 ampères, soit assez de courant pour démarrer un millier de voitures.Cette période de l'orage dure environ une heure, pendant laquelle un sprite se produit en moyenne toutes les 2 minutes et demie. Sachant que plusieurs MCS coexistent en permanence sur la planète, cela explique la fréquence moyenne de un sylphe toutes les 20 secondes constatée au niveau global. Sachant qu'un orage dure environ une heure et qu'il génère un sylphe toutes les 2 minutes et demie, on peut en déduire, qu'à l'échelle de la planète, il s'en produit un toutes les 20 secondes.
Dans les grandes lignes, prévisions théoriques et observations menées à l'aide de radars et autres caméras ultrasensibles et ultrarapides (jusqu'à 7000 images par seconde) se rejoignent. Pour autant, les sylphes gardent encore une part de leur mystère. Première anomalie : les scientifiques ont observé que l'immense majorité des sprites est issue d'éclairs nuage-sol positifs (ou CG+, c'est-à-dire dont la décharge s'effectue entre le réservoir de charges positives localisé dans la partie supérieure du nuage et la Terre). Pourquoi pas ou très peu de sprites suivant des éclairs négatifs (CG-) allant de la partie inférieure du nuage vers le sol ? "C'est la grande question, concède Walter Lyons. Il se pourrait que l'intensité des éclairs CG-, quelques dizaines d'ampères contre plusieurs centaines et plus pour les CC+, soit trop limitée...
Mais la physique n'est pas encore claire, il faut continuer à chercher. Serge Soula, lui, a peut-être une idée : "On sait que le paramètre déterminant pour l'apparition d'un sprite est non seulement la charge du réservoir d'où est issu l'éclair fondateur, mais aussi une altitude élevée. Or, dans un éclair CG+, la décharge s'effectue à partir du sommet du nuage - très haut - alors que pour le CG-, la charge est précipitée à partir de la partie inférieure du nuage. De plus, les charges négatives de la base du nuage ont tendance à s'user par petites décharges : on a alors du mal à construire la charge nécessaire au phénomène". Reste toutefois à vérifier ce scénario par de nouvelles campagnes d'observation.
La seconde anomalie tient au déclenchement du red sprite. Il semblerait en effet que le champ électrique qui le provoque soit parfois insuffisant... Mais qu'est-ce qui peut bien donner le coup de pouce nécessaire ? Une réponse astucieuse a été émise dès 1994 par le physicien Robert Roussel-Dupré, du laboratoire national de Los Alamos (Nouveau-Mexique) : des ions d'origine cosmique, à l'énergie très élevée, déclencheraient un flux d'électrons entre le sommet du nuage d'orage et l'ionosphère, amorçant ainsi le sprite. Y aurait-il d'autres explications ? La réponse dépendra des quatre missions satellite programmées (encadré). À la clé ? Une connaissance encore plus fine des sprites et la possibilité de lever un peu plus le voile sur notre haute atmosphère. Cette immensité est tellement loin d'avoir livré tous ses secrets que le physicien Umran Inan, de l'université de Stanford (Palo Alto, Californie) lui a trouvé un joli nom : Ignorosphère.
 LES SYLPHES VUS DU CIEL
Pas moins de quatre programmes sur orbite vont être consacrés aux sprites !
À commencer par Taranis, un micro-satellite conçu par le Cnes, au lancement prévu en 2012. Sa mission : mesurer les sprites et les champs d'ondes électromagnétiques associés. "Parce que Taranis regardera au-dessus des nuages et non en dessous comme nos moyens actuels, nous pourrons mieux corréler les sprites et les éclairs associés", se réjouit Elisabeth Leblanc, chercheur du CEA et coordinatrice scientifique de la mission. Il sera équipé de deux caméras rapides et de détecteurs de rayons gamma et X. Taranis ne sera pas le premier : le microsatellite Sprite-Sat japonais a été lancé le 23 janvier. Il se concentrera sur les relations éclair-sprite-rayonnement gamma. Dans la foulée, le programme ASIM (Atmosphere-Space Interactions Monitor) des agences spatiales européennes et danoises rejoindra la Station spatiale internationale en 2011 pour deux ans. Enfin, les Russes projetteraient une mission (nom de code : Cheibi) dont la date de lancement n'est pas dévoilée. Maquette du satellite Taranis qui pourra dès 2012 étudier ces éclairs. |
SCIENCE & VIE - ÇA M'INTÉRESSE > Janvier > 2010 |
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Les Éclairs Bleus ont livré leur Secret |
Les éclairs apparaissant au-dessus de certains orages ont enfin une explication.
Contrairement aux éclairs classiques, les "jets bleus" (flèche) sont un phénomène rare et se folment au-dessus des nuages.
Grâce à un système d'antennes détectant les rayonnements électromagnétiques à très haute fréquence, Paul Krehbiel du New Mexico Tech (États-Unis) a pu étudier les "blue jets" (jets bleus).
Bilan : cette décharge s'échappe du haut du nuage quelques secondes après qu'un éclair "classique" a produit un déséquilibre de charges au sommet du nuage.
Les chercheurs en ont déduit un modèle électrodynamique, expliquant également les "gigantic jets" (jets géants), qui produisent une lumière violente visible la nuit au-dessus de l'orage jusqu'à 90 km d'altitude.
Nés au cour du nuage comme les éclairs normaux, ils se propagent au-dessus lorsque la couche supérieure du nuage n'est pas assez chargée pour leur faire barrage.
M.R.V. - SCIENCE & VIE > Juin > 2008 |
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À la Recherche des Sylphes et des Elphes |
Il n'y a pas si longtemps, les pilotes qui signalaient la présence de sylphes n'étaient pas pris au sérieux... Depuis, on a admis leur existence : les sylphes (sprites, en anglais) sont de gigantesques flashs lumineux qui teintent le ciel en rouge, et s'étendent sur une quinzaine de kilomètres, à une centaine de kilomètres au-dessus des masses orageuses.
Les chercheurs du Département analyse surveillance de l'environnement (Dase) du CEA (à Bruyère-le-Chatel) s'apprêtent même à filmer ces étranges phénomènes atmosphériques qui accompagnent les orages grâce à deux caméras, embarquées mi-septembre sur la Station spatiale internationale (ISS). La brièveté de ces phénomènes atmosphériques - 3 dixièmes de seconde - les a pendant longtemps fait considérer comme des hallucinations. Ce n'est qu'en 1990 que des chercheurs américains réussirent pour la première fois à fixer leur image, d'abord à partir du sol, puis de l'espace grâce à la navette Discovery. Ces flashs seraient dus aux rayonnements cosmiques qui arrachent des électrons de la surface des nuages. Le faisceau de particules ainsi créé agirait sur les molécules d'azote de l'atmosphère. La réaction produirait alors cette couleur rouge caractéristique et s'accompagnerait d'émissions d'électrons, mais aussi de ravons X et gamma.
À l'issu de l'expérience de la Station spatiale internationale (baptisée LSO, Lightings and Sprites Obserrations), les physiciens sauront si ces étranges illuminations valent la peine qu'on leur consacre un micro-satellite, Taramis, dont la construction, dévolue au Cnes, dépend en partie de la réussite de la mission.
V.T.M. - SCIENCE & VIE > Décembre > 2001 |
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Les T.L.E ("Transient Luminous Envents") |
Les Sylphes ou Sprites
Ce sont des flashs lumineux qui se produisent dans la mésosphère, au-dessus des cumulonimbus soit de 20 km jusqu'à 96 kilomètres d'altitude sur une largeur de 15 kilomètres. Lorsque le champ électrique est suffisamment puissant et que l'air suffisamment ténu, alors les électrons vont accélérer et atteindre la vitesse nécessaire pour transporter leur énergie cinétique dans les molécules qu'ils rencontrent, se qui les excite et libère cette énergie sous forme de lumière appelé les sylphes ou farfadets. Ils se produisent seulement au-dessus des orages actifs et ils sont la plupart du temps associés à des éclairs positifs, quand les éclairs descendent vers la terre. Ils sont principalement rouges et ils ne durent habituellement pas plus de quelques millisecondes.
Les Elfes
Juste après les sylphes, il peut apparaître les elfes, et leur durée est plus éphémère, moins qu'un millième de seconde. Ils se produisent au-dessus des nuages de polarité positive ou négative lors de la foudre. L'origine des elfes sont les puissants éclairs qui libèrent des impulsions électromagnétiques qui se propagent très vite, à partir de l'éclair. Quand la zone supérieure de cette "sphère" atteint une altitude d'environs 75 à 100 kilomètres, les électrons vont être accéléré par un champ électrique véhiculé par ces impulsions. Les molécules de gaz vont alors être frappées et excitées par les électrons de telle sorte qu'elles vont dégager le surplus d'énergie en lumière sous la forme d'un anneau. Ceci se produit d'une façon si rapide que cet anneau sera vu comme un disque aplati. Ils ont été découverts en 1994
Les Jets Bleus
Ces phénomènes appelés "Blues Jets" en anglais ont été observés pour la première fois en 1994. Ce sont des jets coniques de lumière bleue qui se propagent du sommet des nuages électriquement actifs du noyau des orages, vers la haute atmosphère à une vitesse d'environ 120 km/s et ne dépasseraient pas les 40 kilomètres d'altitude. Mais ils ne sont pas directement liés aux éclairs du nuage-à-terre.
C.S.M. - PLANÈTE GAÏA > Janvier > 2006 |
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Cette photo de Patrick Lécureuil montre un phénomène très rarement photographié par un amateur : un farfadet (sprite en anglais).
Ce genre de gerbes de lumière rouge dure une fraction de seconde et n'a jamais été photographié avant 1989.
La physique liée au phénomène n'est pas encore bien comprise, mais on sait que les sprites se forment au-dessus des orages, à une altitude proche de 100 km. Celui-ci a été vu depuis le Pic du Midi.
Zoom Tamron 24-70mm / Reflex Canon EOS 6D / 13s de pose à 1600 IS0.
CIEL & ESPACE N°535 > Décembre > 2014 |
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