Les éclairs ont des formes en zigzag distinctives et les physiciens se sont longtemps demandé pourquoi. Maintenant, Jean Lowke ainsi que Endre Szili à l'Université d'Australie-Méridionale ont fait des calculs qui pourraient expliquer ce comportement.
Le duo a créé un modèle qui décrit la propagation inhabituelle de "guides de foudre" - des canaux d'air ionisé - qui relient les nuages orageux au sol. Ils proposent que les marches en zigzag soient associées à des atomes d'oxygène hautement excités et métastables, ce qui facilite grandement la circulation du courant électrique dans l'air.
La foudre semble se propager en une série d'étapes qui impliquent des leaders, qui mesurent des dizaines de mètres de long et proviennent de nuages orageux. Un leader s'allumera pendant environ 1 µs au fur et à mesure que le courant circule, créant une étape. Ensuite, le canal s'assombrit pendant des dizaines de microsecondes, suivi de la formation de la prochaine étape lumineuse à la fin du leader précédent - parfois avec une ramification. Ce processus se répète pour créer une forme d'éclair déchiquetée familière. Un aspect curieux de ce processus est qu'une fois qu'une marche s'est allumée et s'est assombrie, elle ne s'allume plus – bien qu'elle fasse partie de la colonne conductrice.
Ce pas est connu pour être responsable des motifs en zigzag distinctifs trouvés dans les traînées de foudre, mais il reste plusieurs questions sans réponse sur la physique derrière ce phénomène. En particulier, la nature des colonnes sombres mais conductrices reliant les dirigeants aux nuages orageux est restée en grande partie un mystère.
Delta oxygène singulet
Dans leur étude, Lowke et Szili calculent que le comportement de progression pourrait être lié à une accumulation de molécules d'oxygène hautement excitées appelées « oxygène métastable delta singulet ». Ces molécules ont une durée de vie radiative d'environ une heure et provoquent le détachement des électrons des ions négatifs d'oxygène, améliorant ainsi la conductivité de l'air qui les entoure.
Le physicien qui apprivoise la foudre
Le duo suggère que le temps entre les étapes successives correspond au temps nécessaire pour que des concentrations suffisantes de molécules métastables s'accumulent aux pointes de tête. Cela augmente le champ électrique à la pointe, rendant possible une ionisation supplémentaire à l'étape suivante. De plus, les chercheurs proposent que des concentrations élevées d'oxygène delta singulet doivent perdurer dans les étapes précédentes, permettant à ces étapes de maintenir leur conductivité électrique, même sans champ électrique de maintien.
Lowke et Szili espèrent qu'une meilleure compréhension de ce processus pourrait conduire à de nouvelles techniques et à des réglementations plus strictes pour protéger les bâtiments contre la foudre. Cela pourrait minimiser les dommages économiques et environnementaux causés par la foudre tout en réduisant la menace pour la vie et l'intégrité physique.
La recherche est décrite dans Journal of Physics D: Physique Appliquée.
