La NASA étudie les orages avec un ER-2

Afin de mieux comprendre les champs électriques entourant les éclairs et les rayons gamma dans les orages, la NASA a recueilli des données à l’aide d’un avion de bardé de capteurs. A bord d’un ER-2, les pilotes ont approché au plus près des cellules orageuses actives.

Les orages sont des phénomènes météorologiques très complexes qui présentent un fort potentiel de dommages au sol et dans l’aviation. Les processus très dynamiques qui se produisent dans une cellule orageuse, et surtout les éclairs qui accompagnent les orages, sont d’un grand intérêt pour les météorologues et les chercheurs en sciences de l’atmosphère.

Comme il n’est pas recommandé de voler directement dans un nuage d’orage, les chercheurs n’ont pu, par le passé, observer les orages à distance qu’à partir du sol ou d’avions. Le satellite TRMM de la NASA, en orbite depuis 1997, a permis d’observer et de mesurer plus précisément les orages et leurs éclairs.

Un instrument d’observation de la foudre est également installé sur la Station spatiale internationale (ISS) et a contribué à une meilleure compréhension de la formation et de la propagation de la foudre. Toutefois, l’ISS vole à une altitude comprise entre 400 et 450 kilomètres au-dessus de la Terre et n’est donc pas aussi proche des orages que le souhaiteraient les chercheurs.

L’un des axes de recherche de la NASA porte sur les champs électriques liés aux éclairs et aux orages et les chercheurs souhaitent s’approcher le plus possible des nuages d’orage pour effectuer les mesures correspondantes.

C’est pourquoi la NASA a lancé le projet ALOFT (Airborne Lightning Observatory for Fly’s Eye Simulator and Terrestrial Gamma Rays), dans le cadre duquel l’un de ses deux avions de reconnaissance en altitude ER-2 s’approche des nuages d’orage à une altitude d’environ 60.000 pieds (18.300 mètres) et effectue des mesures avec des capteurs spéciaux à bord.

En juillet 2023, l’ER-2 a survolé des orages en Amérique centrale, dans les Caraïbes et sur la côte de Floride, où l’activité orageuse est importante à cette période de l’année. Les mesures doivent fournir des informations sur le rayonnement et les champs électriques liés aux éclairs.

Au cours de la dernière campagne de recherche en date, l’ER-2 a décollé de la McDill Air Force Base près de Tampa en Floride pour effectuer ses vols de mesure et a pu se rendre là où les orages faisaient rage. Les chercheurs ont ainsi pu collecter d’énormes quantités de données. Nikolai Ostgaard du Birkeland Centre for Space Science (BCSS) de l’université norvégienne de Bergen, l’un des chercheurs impliqués, s’est montré très enthousiaste : « L’objectif de cette mission est d’étudier la microphysique de l’énorme champ électrique au-dessus de nos têtes. Notre objectif est de comprendre comment et dans quelles conditions les TGF, c’est-à-dire les flashs de rayons gamma terrestres, sont générés. Nous voulons également comprendre le comportement des phénomènes lumineux à rayons gamma dans les nuages d’orage ».

La science explique les processus qui se cachent derrière cette lueur et ces éclairs comme s’il s’agissait d’une batterie : un nuage d’orage serait chargé par la friction électrique entre l’air humide et les cristaux d’air froid, et cette énergie serait déchargée par des éclairs. Ces décharges réduisent l’éclat des photons extrêmement énergétiques – précisément les rayons gamma – à l’intérieur du nuage d’orage.

Les nuages d’orage peuvent également produire des éclairs de rayons gamma, qui se présentent sous la forme de brefs éclairs lumineux d’une durée de dix à cent microsecondes. « Si vous passez à côté d’un nuage d’orage qui brille dans le domaine des rayons gamma, cela signifie que le champ électrique à l’intérieur du nuage est très important », explique Ostgaard.

Dans le cadre du projet ALOFT, les pilotes de la NASA ont volé avec l’ER-2 aussi près que possible des nuages d’orage afin de collecter des données à l’aide des instruments embarqués. Les capteurs mesuraient la luminosité des rayons gamma (en photons par microseconde) à l’aide de cristaux qui génèrent une impulsion lumineuse lorsqu’ils sont frappés par des rayons gamma.

Un photomultiplicateur convertit ces impulsions lumineuses en impulsions électriques, qui indiquent à leur tour une charge électrique. L’équipe ALOFT au sol a reçu ces données en temps réel et a demandé aux pilotes de survoler les nuages d’orage électriquement lumineux aussi longtemps que possible. Au total, l’ER-2 a volé 60 heures en juillet 2023 pour le projet ALOFT.