Foudre en boule

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Gravure du XIXe siècle illustrant le phénomène de foudre en boule.

“Globe of Fire Descending into a Room” dans “The Aerial World,” oeuvre de. G. Hartwig, Londres, 1886.

A son caractère totalement inoffensif, d’autres rapportent des cas où la foudre en boule aurait causé la mort. Spécialiste de la foudre à l’EPFL, Pierre Zweiacker se souvient d’un cas où il a été appelé comme expert: «C’était en l’an 2000, à Thonon-les-bains: un gardien de camping a raconté avoir vu passer une boule de feu à travers le portail électrique, traverser la route voisine, puis une haie, jusqu’à un terrain de football, ou un enfant a été retrouvé mort foudroyé. Après vérification, il fut avéré que le portail était devenu défectueux à cause de cet événement… Surtout, l’analyse du trou créé dans la haie a conclu, après étude des feuilles devenues sèches, à la présence d’une source ponctuelle de chaleur extrême.»Depuis le XIXe siècle, les savants tentent donc d’expliquer ce phénomène; il existerait à ce jour une centaine d’hypothèses.

En 1888, Lord Kelvin avance par exemple que la foudre en boule ne serait que le fruit d’une illusion d’optique. Cette idée a traversé les siècles, puisqu’en 2010, des chercheurs de l’Université autrichienne d’Innsbruck tentent une explication physiologique: lors d’orages, les importantes modifications du champ magnétique environnant causées par certains éclairs impacteraient aussi les personnes se situant à proximité, créant dans leur cerveau des sortes de «court-circuits» neuronaux résultant en des hallucinations lumineuses. Autrement dit, la foudre en boule observée n’aurait rien de tangible.

Peu convaincus par cette explication, nombreux sont les chercheurs qui pensent que le phénomène est bien réel. D’une réaction nucléaire à l’implication de météorites d’antimatière ou la création de micro-trous noirs entrant en contact avec la Terre: tous les ressorts de la physique ont été mis à contribution pour l’expliquer. Mais très vite, un ingrédient a été proposé, devenu depuis presque incontournable: un plasma.Souvent appelé «quatrième état de la matière», le plasma est un gaz brûlant de particules chargées, où les noyaux des atomes présents et les électrons tournant habituellement autour de ceux-ci, sont totalement dissociés.

Formalisé en 1955 déjà par le Nobel de physique russe Piotr Kapitsa, l’idée qu’un plasma entrait dans la composition de «foudre en boule» a longtemps tenu la route car il semblait tout à fait plausible que la fabuleuse énergie transportée par un éclair (500 mégajoules en moyenne) soit capable de générer un tel plasma dans l’air. Mais un détail crochait: sans énergie pour le maintenir, un plasma s’éteint aussitôt. Or un coup de foudre dure moins d’une milliseconde. Comment donc expliquer la persistance de la foudre en boule pendant quelques secondes.

Il fallait autre chose dans sa «recette».En l’an 2000, John Abrahamson, de l’Université de Canterbury, en Nouvelle-Zélande, propose dans la revue Nature une nouvelle théorie: lorsque l’éclair frappe le sol, il vaporise lors d’une réaction chimique violente des nanoparticules de silicium (Si), de monoxyde de silicium (SiO) et de carbure de silicium (SiC), autant d’éléments qui composent la terre, le sable et la matière végétale présente. L’onde de choc les propulse en l’air, ce qui forme un «plasma poussiéreux». Mais ce plasma de nanoparticules ne reste pas inerte, puisque ses composants ont tendance à se recombiner (ou, comme disent les scientifiques, s’oxyder au contact de l’oxygène présent dans l’air). Ce processus émet de la lumière, mais s’arrête au bout de quelques secondes, une fois toutes les nanoparticules oxydées.

Ne restait plus qu’à tenter de confirmer cette théorie par une expérience.Plusieurs groupes de physiciens s’y sont attelés. Comme, en 2007, les Brésiliens Antonio Pavão et Gerson Paiva, de l’Université de Pernambuco: en créant un arc électrique entre une pointe et une galette de silicium – ce qui reproduit la foudre –, ils sont parvenus à créer des bulles lumineuses de quelques centimètres de diamètre. Parallèlement, Eli Jerby, à l’Université de Tel-Aviv, procède quasi similairement, avec sa dernière invention, une «perceuse à micro-ondes», soit un dispositif produisant un concentré de micro-ondes pouvant être utilisé comme le foret d’une perceuse.

Dans son laboratoire, il parvient à générer dans un four à micro-ondes une boule flottante et rougeoyante de quelques centimètres de diamètre.

“Globe of Fire Descending into a Room” dans “The Aerial World,” oeuvre de. G. Hartwig, Londres, 1886.A son caractère totalement inoffensif, d’autres rapportent des cas où la foudre en boule aurait causé la mort. Spécialiste de la foudre à l’EPFL, Pierre Zweiacker se souvient d’un cas où il a été appelé comme expert: «C’était en l’an 2000, à Thonon-les-bains: un gardien de camping a raconté avoir vu passer une boule de feu à travers le portail électrique, traverser la route voisine, puis une haie, jusqu’à un terrain de football, ou un enfant a été retrouvé mort foudroyé. Après vérification, il fut avéré que le portail était devenu défectueux à cause de cet événement… Surtout, l’analyse du trou créé dans la haie a conclu, après étude des feuilles devenues sèches, à la présence d’une source ponctuelle de chaleur extrême.»Depuis le XIXe siècle, les savants tentent donc d’expliquer ce phénomène; il existerait à ce jour une centaine d’hypothèses.

En 1888, Lord Kelvin avance par exemple que la foudre en boule ne serait que le fruit d’une illusion d’optique. Cette idée a traversé les siècles, puisqu’en 2010, des chercheurs de l’Université autrichienne d’Innsbruck tentent une explication physiologique: lors d’orages, les importantes modifications du champ magnétique environnant causées par certains éclairs impacteraient aussi les personnes se situant à proximité, créant dans leur cerveau des sortes de «court-circuits» neuronaux résultant en des hallucinations lumineuses. Autrement dit, la foudre en boule observée n’aurait rien de tangible.

Peu convaincus par cette explication, nombreux sont les chercheurs qui pensent que le phénomène est bien réel. D’une réaction nucléaire à l’implication de météorites d’antimatière ou la création de micro-trous noirs entrant en contact avec la Terre: tous les ressorts de la physique ont été mis à contribution pour l’expliquer. Mais très vite, un ingrédient a été proposé, devenu depuis presque incontournable: un plasma.Souvent appelé «quatrième état de la matière», le plasma est un gaz brûlant de particules chargées, où les noyaux des atomes présents et les électrons tournant habituellement autour de ceux-ci, sont totalement dissociés.

Formalisé en 1955 déjà par le Nobel de physique russe Piotr Kapitsa, l’idée qu’un plasma entrait dans la composition de «foudre en boule» a longtemps tenu la route car il semblait tout à fait plausible que la fabuleuse énergie transportée par un éclair (500 mégajoules en moyenne) soit capable de générer un tel plasma dans l’air. Mais un détail crochait: sans énergie pour le maintenir, un plasma s’éteint aussitôt. Or un coup de foudre dure moins d’une milliseconde. Comment donc expliquer la persistance de la foudre en boule pendant quelques secondes.

Il fallait autre chose dans sa «recette».En l’an 2000, John Abrahamson, de l’Université de Canterbury, en Nouvelle-Zélande, propose dans la revue Nature une nouvelle théorie: lorsque l’éclair frappe le sol, il vaporise lors d’une réaction chimique violente des nanoparticules de silicium (Si), de monoxyde de silicium (SiO) et de carbure de silicium (SiC), autant d’éléments qui composent la terre, le sable et la matière végétale présente. L’onde de choc les propulse en l’air, ce qui forme un «plasma poussiéreux». Mais ce plasma de nanoparticules ne reste pas inerte, puisque ses composants ont tendance à se recombiner (ou, comme disent les scientifiques, s’oxyder au contact de l’oxygène présent dans l’air). Ce processus émet de la lumière, mais s’arrête au bout de quelques secondes, une fois toutes les nanoparticules oxydées.

Ne restait plus qu’à tenter de confirmer cette théorie par une expérience.Plusieurs groupes de physiciens s’y sont attelés. Comme, en 2007, les Brésiliens Antonio Pavão et Gerson Paiva, de l’Université de Pernambuco: en créant un arc électrique entre une pointe et une galette de silicium – ce qui reproduit la foudre –, ils sont parvenus à créer des bulles lumineuses de quelques centimètres de diamètre. Parallèlement, Eli Jerby, à l’Université de Tel-Aviv, procède quasi similairement, avec sa dernière invention, une «perceuse à micro-ondes», soit un dispositif produisant un concentré de micro-ondes pouvant être utilisé comme le foret d’une perceuse.

Dans son laboratoire, il parvient à générer dans un four à micro-ondes une boule flottante et rougeoyante de quelques centimètres de diamètre.

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Foudre en bulles généré à l’Université brésilienne de Prenambuco, à l’aide d’arc électrique sur des galettes de silicium

L’affaire se précise encore lorsque James Brian Mitchell, à l’Université de Rennes, propose à Eli Jerby de reproduire son expérience au sein du synchrotron européen ESRF de Grenoble, un gigantesque instrument qui permet de décrire, à l’aide de rayons X, les processus moléculaires ayant lieu à l’intérieur même de la matière. «Nous avons ainsi démontré que la boule de feu [générée avec l’installation israélienne] contenait des nanoparticules et qu’il s’agissait bel et bien d’un plasma poussiéreux», explique James B. Mitchell dans le magazine La Recherche.

 

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Boule de foudre créée dans le laboratoire de Eli Jerby, à l’Université de Tel Aviv

Au final, les expériences brésilienne et israélienne, s’avèrent donc riches en enseignement, mais ne permettent pas de conclure le débat sur l’origine de la foudre en boule, tant elles ont été menées en laboratoire dans des conditions très précises.Pendant les années suivantes, les tenants d’autres théories ont ainsi poursuivi leurs recherches. Plusieurs groupes, surtout au Max-Planck Institut de Garching (Allemagne) et à l’US Air Force Academy, ont fait parler d’eux récemment. Ils sont parvenus à produire une boule de plasma brillante en déclenchant une puissante décharge électrique au-dessus d’un électrolyte, soit un liquide apte à conduire un courant, comme l’eau. Des objets globulaires – nommés plasmoïdes –, dont la durée de vie variait entre une demi et quelques secondes, comme pour la foudre en boule. Intéressant. Mais à nouveau, un argument coince: la foudre en boule n’apparaît pas toujours au-dessus d’une étendue d’eau…

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Foudre en boule générée au-dessus d’un électrolyte dans les laboratoires de l’US Air Force Academy

C’est en 2012 que la chance donne un coup de pouce aux scientifiques: Ping Yuan et ses collègues de l’Université Northwest Normal à Lanzhoun (Chine) s’échinaient à vouloir filmer des éclairs naturels pour, aussi, en analyser le spectre électromagnétique à l’aide d’un spectrographe optique, instrument qui permet de détecter quels éléments chimiques composent une source de lumière. Un soir, par un pur hasard, ils parviennent à capturer les images d’une boule de foudre: un halo d’environ 5 m de diamètre, qui s’est déplacé sur 15 m, en 1.64 secondes.

Mieux: les données fournies par le spectrographe ont trahi la présence de fer, d’azote, d’oxygène et surtout de silicium.

file6nlso7oo72b2yab42nd Spectre lumineux de la FEB par l’équipe chinoise en 2014 . Prééminence du silicium .

Spectre lumineux de la foudre en boule mesuré par l’équipe chinoise en 2014: on voit la prééminence du silicium (pic orange)De quoi prouver définitivement la théorie du «plasma poussiéreux»? Très probablement. Mais des questions demeurent. Par exemple, la boule de foudre observée était démesurément grande par rapport aux observations habituelles. «Comment la boule reste stable, et pourquoi explose-t-elle, comme cela est parfois rapporté? Cela n’est pas clair», ajoute Pierre Zweiacker. Et puis, cette théorie n’explique pas encore comment la foudre en boule pourrait traverser murs et fenêtres… En 2012, une étude australienne a apporté des éléments solutions, montrant comment le phénomène peut naître sur une vitre, mais à l’intérieur d’une habitation: il implique, lors d’un orage, l’apport massif de particules chargées (ions) sur la vitre. Assez pour générer, du côté intérieur, un champ électrique susceptible d’exciter les molécules d’air présentes, et créer un plasma flottant.

Ce modèle ne figure toutefois pour l’instant que sur papier, laissant à la foudre en boule quelques relents mystérieux.Hergé, lui, ne croyait pas à ce genre de description quasi hallucinatoire, et il a préférer faire surgir sa boule de foudre par la cheminée.

source : Olivier Dessibourg

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Publi de l’équipe chinoise en 2014 ( payante )

Voici quelques publis PDF traitant du sujet :

 

https://fr.wikipedia.org/wiki/Foudre_en_boule

Laboratoire de recherche sur la foudre