Lorsque Benjamin Franklin a attaché une clé à un cerf-volant et l'a fait voler dans un orage, il est brièvement devenu un appareil branché sur le générateur d'énergie le plus puissant de la Terre.
Franklin savait, comme la plupart des gens, que les orages sont incroyablement puissants. Les chercheurs ont tenté d'estimer avec précision Comment puissants depuis plus d'un siècle, mais toujours à court - même les capteurs aéroportés les plus sophistiqués sont inadéquats parce que les nuages d'orage sont tout simplement trop grands et imprévisibles à mesurer.
Maintenant, dans un article publié le 15 mars dans la revue Physical Review Letters, des chercheurs d'Ooty, en Inde, ont trouvé une nouvelle réponse choquante - grâce à un peu d'aide de certains rayons cosmiques.
À l'aide d'un ensemble de capteurs conçus pour mesurer les champs électriques et l'intensité des muons - des particules lourdes qui pleuvent constamment de la haute atmosphère terrestre, se décomposant à mesure qu'elles traversent la matière - l'équipe a mesuré la tension d'un grand nuage d'orage qui a survolé Ooty pendant 18 minutes. le 1er décembre 2014. Les chercheurs ont constaté qu'en moyenne, le nuage était chargé d'environ 1,3 gigavolts d'électricité, soit 1,3 fois 10 ^ 9 volts - environ 10 millions de fois plus de tension que celle fournie par une prise de courant typique en Amérique du Nord.
"Cela explique pourquoi les nuages d'orage sont si destructeurs", a déclaré à Live Science Sunil Gupta, co-auteur de l'étude, chercheur en rayons cosmiques à l'Institut indien de recherche fondamentale Tata. "Si vous dissipez cette énorme quantité d'énergie à travers quoi que ce soit, cela va causer de graves ravages."
Il pleut des muons
Gupta et ses collègues étudient principalement les muons - des particules de type électronique qui sont créées lorsque les rayons cosmiques se heurtent à divers atomes dans l'atmosphère terrestre. Ces particules ont environ la moitié du spin des électrons mais 200 fois le poids et sont très bonnes pour pénétrer la matière. Un muon pleuvant de l'atmosphère peut se déplacer profondément dans l'océan ou des kilomètres sous terre en seulement une fraction de seconde, tant qu'il a suffisamment d'énergie.
Les muons perdent leur énergie quand quelque chose se met en travers de leur chemin - disons, une pyramide, par exemple. Début 2018, les scientifiques ont découvert deux chambres jusque-là inconnues à l'intérieur de la Grande Pyramide de Gizeh en installant des détecteurs de muons autour de la structure et en mesurant où les particules perdaient (et ne perdaient pas) de l'énergie. Les muons traversant les murs de pierre de la pyramide ont perdu plus d'énergie que les muons traversant les grandes chambres vides. Les résultats ont permis aux chercheurs de créer une nouvelle carte de l'intérieur de la pyramide sans mettre le pied à l'intérieur.
Gupta et ses collègues ont utilisé une méthode similaire pour cartographier l'énergie à l'intérieur du nuage d'orage d'Ooty. Au lieu de lutter contre la pierre, cependant, les muons tombant à travers le nuage faisaient face à un champ électrique turbulent.
"Les orages ont une couche chargée positivement en haut et une couche chargée négativement en bas", a déclaré Gupta. "Si un muon chargé positivement frappe le nuage alors qu'il pleut de la haute atmosphère, il va être repoussé et perdre de l'énergie."
À l'aide d'un ensemble de capteurs de détection de muons et de quatre moniteurs de champ électrique répartis sur plusieurs kilomètres, les chercheurs ont mesuré la baisse moyenne d'énergie entre les muons qui traversaient le nuage d'orage et ceux qui ne le traversaient pas. À partir de cette perte d'énergie, l'équipe a pu calculer le potentiel électrique traversé par les particules dans le nuage de tonnerre.
C'était énorme.
"Les scientifiques ont estimé que les nuages d'orage pourraient avoir un potentiel de gigavolt dans les années 1920", a déclaré Gupta, "mais cela n'a jamais été prouvé - jusqu'à présent."
Cartographier le tonnerre
Une fois que les chercheurs ont connu le potentiel électrique du nuage, ils ont voulu aller plus loin et mesurer précisément la quantité d'énergie transportée par le nuage d'orage alors qu'il rugissait sur Ooty.
En utilisant les données de leurs moniteurs de champ électrique largement dispersés, l'équipe a fourni quelques détails importants sur le nuage - qui se déplaçait à environ 40 mph (60 km / h) à une altitude de 7 miles (11,4 kilomètres) au-dessus du niveau de la mer, avait une superficie estimée à 146 miles carrés (380 km carrés, une superficie d'environ six fois la taille de Manhattan), et a atteint son potentiel électrique maximal seulement 6 minutes après son apparition.
Armés de ces connaissances, les chercheurs ont finalement pu calculer que l'orage transportait environ 2 gigawatts d'énergie, ce qui rend ce nuage unique plus puissant que les centrales nucléaires les plus puissantes du monde, a déclaré Gupta.
"La quantité d'énergie stockée ici est suffisante pour répondre à tous les besoins en électricité d'une ville comme New York pendant 26 minutes", a déclaré Gupta. "Si vous pouvez l'exploiter. "
Avec la technologie actuelle, c'est une perspective improbable, a noté Gupta: La quantité d'énergie dissipée par une telle tempête est si élevée qu'elle ferait probablement fondre n'importe quel conducteur.
Pourtant, le potentiel violemment puissant des orages pourrait aider à résoudre un mystère cosmique que des scientifiques comme Gupta et ses collègues demandent depuis des décennies: pourquoi les satellites détectent-ils parfois les rayons gamma de haute énergie qui explosent dans l'atmosphère terrestre, alors qu'ils devraient pleuvoir depuis l'espace ?
Selon Gupta, si les orages peuvent en effet créer un potentiel électrique supérieur à un gigavolt, ils pourraient également accélérer les électrons assez rapidement pour séparer les autres atomes de l'atmosphère, produisant des éclairs de rayons gamma.
Cette explication nécessite davantage de recherches pour vérifier son exactitude, a déclaré Gupta. En attendant, assurez-vous de vous émerveiller devant le prochain nuage d'orage que vous voyez, car c'est une force de la nature insondable - et, s'il vous plaît, réfléchissez-y à deux fois avant de piloter un cerf-volant.
