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Surprising amount and variety of gamma radiation is produced in large tropical thunderstorms, observations reveal

by Duke

ANotes de la rédaction

Des observations révèlent une quantité et une variété surprenantes de rayonnement gamma produites lors de grands orages tropicaux

par l'Université Duke

Crédit : CC0 Domaine public

Dans les années 1990, les satellites de la NASA construits pour repérer les particules de haute énergie provenant de supernovae et d'autres objets de taille céleste ont découvert une surprise : des sursauts de rayonnement gamma de haute énergie provenant d'ici même sur Terre.

Bien qu'il n'ait pas fallu longtemps aux chercheurs pour déterminer que ces rayons gamma de haute énergie provenaient d'orages, la fréquence à laquelle le phénomène se produisait restait un mystère. Les satellites n'ont pas été conçus pour détecter le rayonnement gamma provenant de la Terre, et ils devaient être au bon endroit au bon moment pour le faire.

Après des années à se contenter de plateformes qui n'étaient pas idéales pour la tâche, un groupe de scientifiques a eu l'occasion de faire voler un avion espion U2 modernisé appartenant à la NASA au-dessus des tempêtes pour y jeter un œil. Dans deux nouveaux articles publiés dans la revue Nature, l'équipe a découvert que le rayonnement gamma produit par les orages est bien plus courant qu'on ne le pensait et que la dynamique qui crée le rayonnement recèle un trésor de mystères qui restent à résoudre.

"Il se passe bien plus de choses dans les orages que nous ne l'aurions jamais imaginé", a déclaré Steve Cummer, professeur distingué d'ingénierie William H. Younger à l'université Duke, qui était co-auteur des deux articles. "Il s'avère que pratiquement tous les gros orages génèrent des rayons gamma toute la journée sous de nombreuses formes différentes".

La physique générale derrière la façon dont les orages créent des éclairs de rayonnement gamma à haute énergie n'est pas un mystère. Au fur et à mesure que les orages se développent, des courants tourbillonnants poussent les gouttelettes d'eau, la grêle et la glace dans un mélange qui crée une charge électrique, un peu comme si on frottait un ballon sur sa chemise.

Les particules chargées positivement finissent au sommet de l'orage tandis que les particules chargées négativement tombent au fond, créant un énorme champ électrique qui peut être aussi puissant que 100 millions de piles AA empilées bout à bout.

Lorsque d'autres particules chargées, comme les électrons, se trouvent dans un champ aussi intense, elles accélèrent. Si elles accélèrent à des vitesses suffisamment élevées et qu'elles entrent en collision avec une molécule d'air, elles enlèvent davantage d'électrons à haute énergie. Le processus se poursuit jusqu'à ce que les collisions aient suffisamment d'énergie pour créer des réactions nucléaires, produisant des éclairs extrêmement forts et extrêmement rapides de rayons gamma, d'antimatière et d'autres formes de rayonnement.

Mais ce n'est pas la fin de l'histoire du rayonnement gamma des orages. Des avions volant à proximité d'orages ont également vu une faible lueur de rayonnement gamma provenant des nuages. Ces orages semblent avoir suffisamment d'énergie pour produire un faible frémissement de rayonnement gamma, mais quelque chose les empêche de créer une explosion comme un grain de maïs qui éclate.

"Quelques campagnes aériennes ont essayé de déterminer si ces phénomènes étaient courants ou non, mais les résultats ont été mitigés, et plusieurs campagnes au-dessus des États-Unis n'ont détecté aucun rayonnement gamma du tout", a déclaré Cummer. "Ce projet a été conçu pour répondre à ces questions une fois pour toutes".

Le groupe de recherche a obtenu l'utilisation d'un avion scientifique aéroporté à haute altitude ER-2 de la NASA. Il s'agit d'un avion espion U2 modernisé datant de la guerre froide, qui vole à une altitude deux fois supérieure à celle des avions commerciaux et à environ cinq kilomètres au-dessus de la plupart des orages. Il est également extrêmement rapide, ce qui permet à l'équipe de choisir les orages exacts qui, selon eux, sont les plus susceptibles de produire des résultats.

"L'avion ER-2 serait la plate-forme d'observation ultime pour les rayons gamma des 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 20 km, nous pouvons voler directement au-dessus du sommet des nuages, aussi près que possible de la source des rayons gamma."

Comme l'ER-2 était la solution parfaite et que l'équipe allait survoler les bonnes tempêtes, les chercheurs ont estimé que si ces phénomènes étaient rares, ils n'en verraient pratiquement aucun. Mais s'ils étaient courants, ils en verraient beaucoup.

Et ils en ont vu beaucoup.

En un mois, l'ER-2 a effectué 10 vols au-dessus de grosses tempêtes dans les tropiques au sud de la Floride, et neuf d'entre eux ont permis d'observer le rayonnement gamma de cet été, qui était également plus dynamique que prévu.

"La dynamique des nuages ​​d'orage à rayonnement gamma contredit fortement l'ancienne image quasi stationnaire des lueurs et ressemble plutôt à celle d'une énorme marmite en ébullition à rayonnement gamma, tant par sa forme que par son comportement", a déclaré Martino Marisaldi, professeur de physique et de technologie à l'Université de Bergen.

Compte tenu de la taille d'un orage typique dans les tropiques, qui est bien plus grande que les tempêtes à d'autres latitudes, cela suggère que plus de la moitié de tous les orages dans les tropiques sont radioactifs. Les chercheurs postulent que cette faible production de rayonnement gamma agit comme la vapeur qui sort d'une casserole d'eau et limite la quantité d'énergie qui peut être accumulée à l'intérieur.

Les chercheurs ont également été ravis de voir de nombreux exemples de sursauts de rayonnement gamma de courte durée et intenses provenant des mêmes orages. Certaines de ces explosions étaient exactement semblables à celles détectées à l'origine par les satellites de la NASA. Elles se produisaient presque toujours en conjonction avec une décharge de foudre active.

Cela suggère que le grand champ électrique créé par la foudre suralimente probablement les électrons déjà à haute énergie, leur permettant de créer des réactions nucléaires à haute énergie.

Mais il y avait aussi au moins deux autres types de courtes explosions de rayonnement gamma qui n'avaient jamais été observées auparavant. L'une est incroyablement courte, moins d'un millième de seconde, tandis que l'autre est une séquence d'environ 10 explosions individuelles qui se répètent sur une période d'environ un dixième de seconde.

"Ces deux nouvelles formes de rayonnement gamma sont ce que je trouve le plus intéressant", a déclaré Cummer. "Ils ne semblent pas être associés au développement d'éclairs. Ils émergent spontanément d'une manière ou d'une autre. Il y a des indices dans les données qu'ils pourraient en fait être liés aux processus qui déclenchent les éclairs, qui restent un mystère pour les scientifiques".

Si quelqu'un s'inquiète de se transformer en Hulk à cause de tout ce rayonnement gamma, a ajouté Cummer, il ne devrait pas l'être. La quantité de radiation produite ne serait dangereuse que si une personne ou un objet se trouvait assez près de la source d'origine.

« Les radiations seraient le cadet de vos soucis si vous vous trouviez dans cette zone. Les avions évitent de voler dans les cœurs d'orages actifs en raison des turbulences et des vents extrêmes », a déclaré Cummer. « Même en sachant ce que nous savons maintenant, je ne m'inquiète pas plus que par le passé de voler. »

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COMMENTAIRES

L 'observation   de la radioactivité et des rayonnements gamma   résulte  de la guerre froide  et des soupsons  d  activité s nucléaires .. C est ainsi qu on a découvert  les sursaits gamma cosmiques  dans les années 69  ....Mais

dans les années 1990, les satellites de la NASA conçus pour détecter les particules de haute énergie provenant de supernovae et d'autres objets de taille céleste ont découvert une autre surprise : des sursauts de rayonnement gamma de haute énergie en quelque sorte plus naturels carprovenant d'ici même sur  terre !!

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More information: Nikolai Østgaard, Flickering gamma-ray flashes, the missing link between gamma glows and TGFs, Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07893-0. www.nature.com/articles/s41586-024-07893-0

Highly dynamic gamma-ray emissions are common in tropical thunderclouds, Nature (2024), DOI: 10.1038/s41586-024-07936-6. www.nature.com/articles/s41586-024-07936-6

Journal information: Nature 

Provided by Duke University 

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