Des scientifiques capturent de rares photographies d’éclairs rouges

Jason Ahrns, étudiant diplômé, et ses collègues parcourent le ciel à la recherche de sprites : des stries éphémères et des éclats de couleurs qui peuvent apparaître au-dessus des orages.

Jason Ahrns, étudiant diplômé de l’Université d’Alaska-Fairbanks, et d’autres scientifiques de l’US Air Force Academy et du Fort Lewis College, tous faisant partie d’un projet parrainé par la National Science Foundation, sont en mission. Cet été, le groupe a pris son envol à bord de l’avion de recherche Gulfstream V du Centre national de recherche atmosphérique, enregistrant un total de 30 heures sur plusieurs vols, à la recherche de sprites.

Les sprites, également connus sous le nom d’éclairs rouges, sont des décharges électriques qui apparaissent sous forme d’éclats de lumière rouge au-dessus des nuages ​​pendant les orages. Le phénomène météorologique étant si éphémère (les sprites clignotent pendant quelques millisecondes seulement) et pour la plupart invisibles depuis le sol, ils sont difficiles à observer et encore plus difficiles à photographier, un peu comme les esprits aériens espiègles du royaume fantastique qui leur donnent leur nom. Ahrns et ses collègues ont cependant capturé des photographies extrêmement rares de l’éclair rouge, à l’aide d’appareils photo reflex numériques et de caméras vidéo à haute vitesse positionnées dans le hublot de l’avion. Les chercheurs espèrent en apprendre davantage sur les processus physiques et chimiques qui donnent naissance aux sprites et à d’autres formes d’éclairs dans la haute atmosphère.

Qu’est-ce que ça fait de capturer des images de certaines des caractéristiques les plus éphémères et erratiques de la nature ? J’ai interrogé Ahrns par courrier électronique et il m’a expliqué ce que sont les sprites, pourquoi ils apparaissent, comment les scientifiques les trouvent et pourquoi il s’intéresse tant à ces phénomènes insaisissables.

Tout d’abord, qu’est-ce qu’un sprite ?

Un sprite est une sorte de décharge électrique dans la haute atmosphère associée aux orages. Un grand champ électrique, généré par certains éclairs, ionise l’air au-dessus du nuage, qui émet ensuite la lumière que nous voyons sur les images. Ils méritent évidemment d’être comparés aux éclairs ordinaires que nous voyons tout le temps, mais j’aime souligner que les sprites sont beaucoup plus hauts, avec des sommets atteignant environ 100 kilomètres, voire plus. Un éclair peut s’étendre sur environ 10 kilomètres du nuage au sol, mais un sprite peut atteindre 50 kilomètres de haut.

Dans quelles conditions se produisent-ils ?

Ils sont associés à des éclairs positifs, c’est-à-dire lorsque le nuage accumule une charge positive et libère un éclair. Les coups négatifs, dus à une accumulation de charges négatives, sont environ 10 fois plus courants, donc les sprites ne sont pas fortement associés au type d’éclair le plus courant, mais ce n’est pas si rare non plus. Plus qu’un simple coup positif, plus la charge déplacée pendant le coup est importante, meilleures sont les chances d’obtenir un sprite. Nous recherchons donc un changement de moment de charge positif important, qui correspond essentiellement aux courses positives pondérées par la quantité de charge déplacée. La plupart des gros orages semblent produire les conditions qui conduisent à l’apparition de sprites, mais certains plus que d’autres. Nous recherchons simplement une tempête avec un historique de nombreux changements importants de moment de charge positif et allons l’examiner.

Quelle est votre formation scientifique ? Et comment êtes-vous devenu intéressé par les sprites ?

Je suis avant tout un chercheur sur les aurores boréales, c’est sur cela que je fais ma thèse à l’UAF. Je me suis impliqué dans les sprites parce qu’un des membres de mon comité d’études supérieures organise ces campagnes et avait besoin d’une aide supplémentaire. Je pensais que les sprites étaient fascinants et mon conseiller m’a encouragé à me diversifier un peu, alors j’ai rejoint l’équipe.

D’après ce que j’ai compris, on sait peu de choses sur la foudre rouge, découverte il y a à peine 25 ans. Avec le projet NSF, qu’espérez-vous apprendre, vous et les autres scientifiques ? Quelles sont les plus grandes questions que vous vous posez ?

Avec cette campagne, nous nous concentrons sur trois questions. Premièrement, quels processus physiques et chimiques de base se produisent ? On ne sait toujours pas exactement ce qui se passe dans un sprite, pourquoi il existe différents types de sprites et quelles conditions vous donnent un sprite de colonne par rapport à un sprite de carotte, par exemple. (Tous les noms de sprites font simplement référence à leur forme.) Ensuite, les sprites ont-ils un impact à grande échelle sur l’atmosphère moyenne ? Les sprites représentent clairement une sorte de transfert d’énergie, mais est-ce à une échelle qui a un effet significatif sur la météo et le climat ? Nous ne pouvons pas répondre à cela sans les étudier. Et puis, que pouvons-nous apprendre sur la physique de base des streamers ? Les vrilles qui sortent du bas des sprites sont des « banderoles » – de petites boules d’ionisation – qui se déplacent. La vitesse et la durée de vie des streamers sont liées à la densité de l’air, donc étudier les sprites dans la haute atmosphère à très faible densité revient à regarder les streamers avec une loupe au ralenti, même s’ils sont quand même assez rapides !

À combien de missions de chasse aux sprites avez-vous participé ?

Personnellement, c’est ma deuxième campagne aérienne. La première, en 2011, a effectué un total de 40 heures de vol, et cette campagne a duré 30 heures supplémentaires. Il s’agit probablement d’environ 15 vols au total. Le même équipage, sans moi, a réalisé une autre campagne aérienne en 2009.

Quelles conditions, moments de la journée, régions du pays et altitudes sont idéales pour ces vols ?

Le Midwest est productif, principalement parce qu’il subit de puissants orages qui durent toute la nuit. Évidemment, nous avons besoin qu’il fasse sombre, mais à part cela, l’heure de la nuit ne semble pas avoir beaucoup d’importance, seulement la force de la tempête et la puissance des éclairs positifs qu’elle produit. Nous remarquons que lorsque la tempête se déroule bien, elle produit des sprites de colonne et des sprites de carotte, mais à mesure qu’elle s’éteint, elle semble passer à des sprites de méduses moins fréquents, mais plus grands et plus brillants. Nous volons aussi haut que possible, généralement entre 41 000 et 45 000 pieds, mais c’est simplement pour avoir une vue au-dessus des nuages. Nous sommes toujours en dessous des sprites.

L’éclair ne dure que quelques millisecondes, je suis donc particulièrement curieux de savoir comment vous le photographiez. Quel équipement utilisez-vous?

Pour les photos fixes, je place simplement mon appareil photo (un Nikon D7000 et un objectif rapide) face à la fenêtre et je règle un intervalomètre pour que l’appareil photo prenne constamment des photos. Ensuite, je passe en revue plus tard et je supprime tout ce qui ne contient pas de sprite. C’est le même principe que la photographie d’éclairs ; il semble que vous deviez trouver le bon timing, mais ce n’est en réalité que statistique, si vous prenez un tas de photos, l’une d’elles obtiendra quelque chose tôt ou tard. Je prends probablement environ 1 000 photos pour chaque sprite que je repars.

Pour les caméras vidéo haute vitesse, la caméra dispose d’un tampon qui parcourt constamment les images vidéo précédentes, quel que soit le nombre d’images vidéo, et quand je vois un sprite, j’appuie sur un déclencheur qui indique à la caméra de s’arrêter et de sauvegarder tout ce qu’elle vient d’enregistrer. Lorsque nous fonctionnons à 10 000 images par seconde, le tampon se remplit en une seconde environ, c’est donc le temps dont je dispose pour reconnaître un sprite et appuyer sur le bouton. Cela peut être assez éprouvant lors d’une nuit lente lorsque vous devez regarder rien se produire pendant 45 minutes d’affilée et être toujours prêt avec ce temps de réaction de moins d’une seconde.

Pouvez-vous décrire la configuration ? Comment prendre des photos depuis le hublot de l’avion ?

Une image vaut mille mots, n’est-ce pas?

Et pour la vidéo haute vitesse…

Nous disposons d’une connexion Internet à bord de l’avion afin de pouvoir suivre les conditions météorologiques en temps réel. Nous pointons simplement les caméras ci-dessus vers la partie la plus productive de la tempête et attendons les sprites.

À quel point les photos comme celles-ci sont-elles rares?

Autant que je sache, ils sont assez rares. Il existe des images de sprites prises avec des caméras météores et des webcams, mais elles sont généralement de faible résolution en raison de leur très grande distance et de l’utilisation d’un objectif grand angle. J’ai vu deux ou trois images de sprite prises avec un reflex numérique, mais elles sont toujours prises depuis le sol et à bonne distance, et généralement des photos de quelque chose d’autre qui a eu de la chance avec un sprite en arrière-plan. J’ai l’avantage d’être dans les airs, à proximité de la région de production des sprites, avec une bonne idée de l’endroit où les sprites apparaîtront, ce qui me permet d’utiliser un objectif avec un champ de vision plus étroit pour capturer le sprite de près.

Quant aux images que j’ai obtenues d’avions bleus, autant que je sache, ce sont en fait les premières images d’avions prises avec un reflex numérique. Cela a du sens, car les jets sont beaucoup plus proches du sommet des nuages ​​que les sprites et sont donc beaucoup plus difficiles à voir depuis le sol. Être dans les airs est un avantage majeur.

Que trouvez-vous artistique dans les images, le cas échéant ?

Je pense qu’il y a chez eux une austérité vraiment d’un autre monde. Prenez celui-ci (ci-dessus), par exemple. Vous avez ce joli champ d’étoiles serein et une lumière bleue fraîche et apaisante provenant des éclairs en dessous. Alors BLAM ! Ce sprite étrange, menaçant et totalement extraterrestre envahit toute la scène, du genre « Je suis là, qu’est-ce que tu vas faire à ce sujet ? »

Hans Nielsen, l’enquêteur principal de la campagne (et mon membre du comité mentionné précédemment), dit que celle-ci (ci-dessous) lui rappelle les peintures hollandaises classiques, avec ses tons sépia et son léger flou dû à la brume atmosphérique.

Qu’avez-vous appris jusqu’à présent sur les sprites en participant à ce projet ?

Personnellement? Lorsque j’ai rejoint la campagne de 2011, je ne connaissais rien des sprites au-delà de l’entrée Wikipédia. J’en apprends davantage chaque soir sur les campagnes, en écoutant les autres parler des conditions préalables, de ce que nous avons vu pendant les vols et de nos discussions sur « ce que nous avons bien fait, ce que nous avons mal fait » autour d’une bière d’après-vol. Je suis encore un débutant par rapport aux autres gars, mais j’en suis maintenant au point où je peux répondre à la plupart des questions du grand public sur les sprites et la chasse aux sprites.

Où et quand volerez-vous ensuite ?

Rien n’est gravé dans le marbre, mais nous aimerions bien voler à nouveau l’été prochain. J’espère que nous pourrons y parvenir.