TRUMPF/Martin Stollberg
Les paratonnerres protègent les bâtiments en fournissant un chemin à faible résistance pour que les charges circulent entre les nuages et le sol. Mais ils ne fonctionnent que si la foudre trouve ce chemin en premier. La frappe réelle est chaotique, et il n’y a jamais de garantie que les processus qui la déclenchent se produiront suffisamment près du paratonnerre pour garantir que les choses fonctionneront comme prévu.
Une équipe de chercheurs européens a décidé qu’ils n’aimaient pas ce caractère aléatoire et ont réussi à diriger quelques éclairs en toute sécurité vers une tour de télécommunications située au sommet d’une montagne suisse. Leur secret ? Des lasers, qui ont été utilisés pour créer un chemin d’ions chargés afin de lisser le chemin vers le paratonnerre.
Tout va mieux avec les lasers
Le défi de base avec la direction des éclairs est que les événements atmosphériques qui créent des particules chargées se produisent à des altitudes significatives par rapport aux paratonnerres. Cela permet à la foudre de trouver des chemins vers le sol qui n’impliquent pas le paratonnerre. Les gens ont réussi à créer une connexion entre les deux en utilisant de petites roquettes pour tirer des câbles conducteurs vers les hauteurs où se trouvaient les charges. Mais l’utiliser régulièrement nécessiterait finalement beaucoup de roquettes et laisserait les environs drapés de câbles.
L’idée d’utiliser des lasers pour guider la foudre est ancienne, la suggestion étant apparue pour la première fois dans la littérature scientifique dans les années 1970. Un faisceau laser d’intensité suffisamment élevée a une relation compliquée avec l’air qu’il traverse. Les modifications qu’il apporte à l’air aident à focaliser le laser, tandis que les électrons qu’il libère ont tendance à le disperser. Pendant ce temps, les molécules de l’atmosphère qui absorbent la lumière s’échauffent et sortent de sa trajectoire, créant une trajectoire à basse pression dans le sillage du laser. De manière critique, de nombreuses particules laissées dans ces filaments à basse pression sont chargées, fournissant un chemin potentiel pour la foudre.
Il est également possible de façonner des impulsions laser afin de contrôler le point de départ de la génération de ces filaments, jusqu’à un kilomètre de distance de la source laser.
Mais, lors de tentatives antérieures d’utilisation de lasers pour guider la foudre, les résultats ont été décevants. Cependant, les résultats décevants n’empêchent souvent pas les scientifiques d’essayer à nouveau (ou du moins de faire réessayer les étudiants diplômés, selon la théorie opératoire selon laquelle tous les étudiants diplômés précédents étaient incompétents). Cela explique pourquoi une équipe de chercheurs s’est retrouvée dans les Alpes suisses, installant un laser de haute puissance près de la base de la grande tour de télécommunications du Säntis, qui est généralement frappée par la foudre environ 100 fois par an.
Outre la fréquence, la tour est un excellent site pour ces expériences car elle est équipée pour étudier la foudre. Les instruments mesurent le courant qui traverse son paratonnerre et les champs électromagnétiques dans la zone et peuvent effectuer une imagerie à différentes longueurs d’onde, y compris les rayons X.
Le timing est tout
Dans tous les cas, les chercheurs ont pensé que cette fois-ci pourrait être différente pour une raison essentielle : les lasers se sont considérablement améliorés. Ils sont désormais capables de tirer beaucoup plus rapidement ; celui mis en place pour ce travail est capable d’une fréquence de 1 kiloHertz. C’est une cadence de tir plus de 100 fois supérieure à celle de n’importe quel laser utilisé auparavant pour ce type de travail. Les modèles qui incluent ce cycle rapide, montrent les chercheurs, suggèrent qu’il crée un filament plus persistant de particules chargées dans l’air.
Et cela a fonctionné. Pendant plus de six heures de test, la tour a vu quatre frappes alors que le laser était actif. L’imagerie de l’un d’eux, qui s’est produite dans un ciel clair, montre clairement l’éclair se déplaçant le long de la trajectoire définie par le laser jusqu’à ce qu’il atteigne la tour.
Comme presque tous les coups de foudre précédemment enregistrés à la tour du Säntis, les quatre coups de foudre ont commencé au sol et se sont propagés vers le haut. Mais 85% des frappes enregistrées là-bas impliquent une connexion à un pool de charges négatives dans les nuages. En revanche, les quatre frappes guidées par laser sont connectées à une piscine chargée positivement.
La modélisation des chercheurs indique que cette orientation de charge permet de combler plus facilement l’écart entre la tour et le filament généré par laser, ce qui renforce l’idée que ces quatre frappes étaient véritablement guidées par le laser.
Cela ne signifie pas que nous pouvons appeler au hasard la foudre à volonté ou aspirer tous les risques des nuages si nécessaire. Toutes ces frappes impliquaient une activité orageuse dans les environs, et la tour a été frappée à plusieurs reprises par des boulons qui n’étaient pas associés à la trajectoire du laser. Pourtant, le travail soulève la perspective que nous pourrions potentiellement faire un travail expérimental contrôlé avec la foudre, ce qui semble aller fortement à l’encontre de sa nature chaotique. Et ces expériences pourraient, à long terme, contribuer à la sécurité.
Photonique de la nature2023. DOI : 10.1038/s41566-022-01139-z (À propos des DOI).