De nouvelles observations d'un avion espion U2 modifié révèlent une quantité et une variété surprenantes de rayons gamma produits lors de grands orages tropicaux. Les satellites de la NASA ont été initialement conçus pour détecter des particules de haute énergie dans l'univers, mais ils ont accidentellement découvert des sursauts gamma provenant d'orages sur Terre. Des recherches ultérieures menées par la NASA à l'aide de l'avion espion U2 ont révélé que ces rayons gamma sont courants lors des orages, se manifestent sous diverses formes et sont liés à l'activité électrique des orages. La découverte révèle un processus dynamique complexe impliquant des électrons à grande vitesse et des réactions nucléaires qui peuvent également influencer la formation de la foudre.
Dans les années 1990, les satellites de la NASA construits pour détecter les particules de haute énergie provenant des supernovae et d'autres corps célestes ont découvert une surprise : des sursauts gamma de haute énergie en provenance de la Terre.
Même s’il n’a pas fallu longtemps aux chercheurs pour comprendre que ces particules radioactives surchargées provenaient d’orages, la manière dont ce phénomène se produit si fréquemment reste un mystère. Les satellites ne sont pas conçus pour détecter le rayonnement gamma de la Terre ; ils doivent être au bon endroit et au bon moment pour détecter le rayonnement gamma.
Après des années d'utilisation de plates-formes loin d'être idéales pour cette tâche, un groupe de scientifiques a maintenant eu la chance de piloter un avion espion U2 modifié appartenant à la NASA au-dessus de la tempête pour y jeter un coup d'œil. Dans deux nouveaux articles publiés le 3 octobre dans Nature, l'équipe a découvert que les rayons gamma produits lors des orages sont beaucoup plus courants qu'on ne le pensait et que la dynamique qui produit ce rayonnement recèle des mystères encore non résolus.
"Il se passe beaucoup plus de choses dans les orages que nous le pensions", a déclaré Steve Cummer, professeur émérite d'ingénierie William H. Young à l'Université Duke. "Il s'avère que pratiquement tous les gros orages produisent des rayons gamma sous de nombreuses formes différentes tout au long de la journée."
La physique générale derrière la façon dont les orages produisent des éclairs de rayons gamma à haute énergie n’est pas mystérieuse. Lorsque des orages se produisent, des courants d'air tourbillonnants entraînent des gouttelettes d'eau, des grêlons et de la glace dans le mélange, créant une charge électrique comme un ballon frottant contre votre chemise. Les particules chargées positivement se retrouvent au sommet de la tempête, tandis que les particules chargées négativement tombent au fond, créant un champ électrique massif ayant la puissance de 100 millions de piles AA empilées bout à bout.
Lorsque d’autres particules chargées, comme les électrons, se trouvent dans un champ électrique aussi puissant, elles accélèrent. S’ils accélèrent à une vitesse suffisamment élevée et heurtent des molécules d’air, ils élimineront davantage d’électrons à haute énergie. Ce processus progresse étape par étape jusqu'à ce que l'énergie générée par la collision soit suffisante pour provoquer une réaction nucléaire, produisant des rayons gamma, de l'antimatière et d'autres formes de rayonnement extrêmement puissants et rapides.
Mais ce n’est pas la fin de l’histoire des rayonnements gamma des orages. Les avions volant à proximité d’orages ont également aperçu de faibles lueurs de rayonnement gamma dans les nuages. Ces tempêtes semblent avoir suffisamment d’énergie pour produire des frémissements de rayonnement gamma à basse altitude, mais quelque chose les empêche de produire des explosions explosives comme des grains de maïs éclatés.
« Plusieurs avions ont tenté de déterminer si ces phénomènes étaient courants, mais ont eu des résultats mitigés, et plusieurs vols au-dessus des États-Unis n'ont détecté aucun rayonnement gamma », a déclaré Cuomo. "Ce projet est conçu pour résoudre ces problèmes une fois pour toutes."
L'équipe de recherche a eu accès à l'avion scientifique aéroporté à haute altitude ER-2 de la NASA. Avion espion U2 modifié, héritage de la guerre froide, il vole deux fois plus haut qu'un avion commercial et à environ trois milles au-dessus de la plupart des orages. C'est également très rapide, ce qui donne à l'équipe la possibilité de sélectionner avec précision les orages qui, selon elle, sont les plus susceptibles de produire des résultats.
"L'avion ER-2 sera la plate-forme ultime pour observer les rayons gamma dans les nuages d'orage", a déclaré Nikolai Østgaard, professeur de physique spatiale à l'Université de Bergen en Norvège et chercheur principal du projet. "En volant à une altitude de 20 kilomètres (12,4 miles), nous pouvons voler directement au-dessus des sommets des nuages et nous rapprocher le plus possible de la source de rayons gamma."
Étant donné que ER-2 était la solution parfaite et que l’équipe survolerait les tempêtes appropriées, les chercheurs ont pensé qu’ils verraient peu ou pas de phénomènes s’ils étaient rares. Mais si ces phénomènes sont courants, ils vont être très fréquents.
Au cours d'un mois, l'ER-2 a survolé 10 fois de grandes tempêtes dans le sud tropical de la Floride. À neuf reprises, il a observé ce rayonnement gamma simulé, qui était également plus dynamique que prévu.
Martino Marisaldi, professeur au Département de physique et de technologie de l'Université de Bergen, a déclaré : « La dynamique des nuages d'orage à luminescence gamma est complètement opposée aux images précédentes de luminescence quasi-statique et ressemble davantage à une marmite géante en ébullition à luminescence gamma en termes de motif et de comportement. »
Étant donné que les orages typiques sous les tropiques sont beaucoup plus importants que ceux des autres latitudes, cela suggère que plus de la moitié des orages sous les tropiques sont radioactifs. Les chercheurs supposent que la production de ce rayonnement gamma de faible niveau agit comme de la vapeur bouillante dans une casserole d’eau, limitant ainsi l’accumulation d’énergie à l’intérieur.
Tout aussi passionnant pour les chercheurs, ils ont également découvert de nombreux sursauts gamma courts et intenses provenant du même orage. Certains d’entre eux ressemblent beaucoup aux sursauts gamma détectés à l’origine par les satellites de la NASA. Ces phénomènes se produisent presque toujours simultanément à des décharges de foudre actives. Cela suggère que les grands champs électriques générés par la foudre surchargent probablement les électrons déjà énergétiques, leur permettant de produire des réactions nucléaires à haute énergie.
Mais il existe au moins deux autres types de sursauts gamma courts qui n’ont jamais été observés auparavant. L’un était incroyablement court, moins d’un millième de seconde, tandis que l’autre était une série d’environ 10 sursauts gamma distincts qui se répétaient sur environ un dixième de seconde.
"Ces deux nouvelles formes de rayonnement gamma sont celles que je trouve les plus intéressantes", a déclaré Cuomo. Ils ne semblent pas liés au développement de la foudre. Ils apparaissent spontanément d'une manière ou d'une autre. Les données suggèrent qu’ils pourraient en réalité être liés au processus qui déclenche la foudre, ce qui reste un mystère pour les scientifiques. "
Si quelqu’un craint d’être transformé en Hulk par tout ce rayonnement gamma, ne le soyez pas. La quantité de rayonnement produite n'est dangereuse que si une personne ou un objet se trouve à proximité de la source. "Si vous vous trouvez là-bas, les radiations seront le moindre de vos soucis. Les avions éviteront de voler au centre d'orages actifs en raison des turbulences extrêmes et des vents violents", a déclaré Cuomo. "Même en sachant ce que nous savons maintenant, je ne serais pas plus préoccupé par le fait de voler qu'avant."
Compilé à partir de / scitechdaily