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Météorologie élémentaire

Les Phénomènes Lumineux Transitoires (TLE)

Alors que nous étudions et traversons l'atmosphère en tout sens depuis bientôt un siècle, l’ionosphère nous réserve encore des surprises. Historiquement, en 1924 le physicien écossais C.T.R.Wilson publia un article sur les effets du champ électrique durant les orages dans lequel il prédit qu'il pouvait exister des décharges électriques au-dessus des nuages d'orage, jusqu'à 60 ou 80 km d'altitude. Mais à part les éclairs de rayons gamma que l’on a détecté dans l’ionosphère, durant des décennies, sa théorie resta au stade d'hypothèse.

Puis, des pilotes civils et militaires ont déclaré avoir observé des éclairs au-dessus des nuages d'orages. Mais à chaque fois les météorologistes leur répondirent qu'il était impossible qu'un éclair soit orienté vers l'espace. Or ces pilotes n'avaient pas rêvé : ils avaient bien observé des éclairs dans la haute atmosphère.

Les observations se répétant, à partir de 1989 les astronautes de la navette spatiale ont fini par photographier ce phénomène. Effectivement, entre 30 et 80 km d’altitude, des jets surgissent au-dessus des nuages d’orage, desquels ils s’échappent sous forme de filaments bleutés.

A gauche, les nuages d'orages sont connus pour leurs éclairs (CG et CC). Mais en 1989 on découvrit qu'ils émettaient également des jets de plasma bleus jusque dans l'ionosphère à 95 km d'altitude. En 1994, on découvrit également les sprites rouges, les elfes et autres halos. Leur énergie est colossale. Nous sommes à quelques ordres de grandeur au-dessus des énergies utilisées dans les expériences bien anodines du programme HAARP sur les aurores de l'USAF et de l'Université d'Alaska (programme annulé en mai 2013 faute de budget mais qui reprit en 2017). A droite, les premiers jets bleus et sprites observés au-dessus des nuages d'orages du Midwest américain le 4 juillet 1994 à 04:00:20 TU. La base (limite noir-blanc) se situe à 20 km d'altitude, le sommet (rouge) à 95 km d'altitude. Documents T.Lombry et University of Alaska.

Comme l'illustre le schéma présenté ci-dessus, jusqu'à 100 km d'altitude environ, où la densité électronique diminue fortement, apparaissent également des "gigantic jets" (GJ), des "sprites" et autre "elfes". Ces phénomènes lumineux sont transitoires et ne durent que deux ou trois millièmes de seconde.

Les sprites (farfadets en français) ont été découverts en 1994 par une équipe de chercheurs du Geophysical Institute américain au cours d'un vol au-dessus des cellules orageuses qui se développent régulièrement au dessus du Midwest (Oklahoma). Les sprites ressemblent à des éclairs rouges et s'étendent sur plus de 40 km d'altitude. Leur couleur dépend de la température de la même manière que le filament de tungstène d'une ampoule passe du rouge au blanc à mesure qu'il chauffe. On estime que chaque nuage d'orage génère jusqu'à 10 sprites par seconde.

A voir : What's up in Space, Spaceweather

GJ filmés en Oklahoma le 20 août 2007

Galerie photo de Sprites, Spaceweather

A gauche, des sprites photographiés le 12 août 2013 au-dessus du comté de Red Willow au Nebraska par Jason Ahrns, membre d'une équipe de chasseurs de sprites de l'Université d'Alaska. A droite, l'un des premiers sprites observé par un amateur. Ils furent enregistrés par Kevin Parker depuis le Queensland en Australie le 27 novembre 2005 avec une caméra numérique. Kevin rapporte qu' "il était assez intéressant de regarder la cellule orageuse se déplacer avec les sprites au-dessus d'elle" mais en tant que radioamateur et surpris par l'évènement il regrette de ne pas avoir capturé le phénomène radioélectrique associé à ce phénomène. Il espère que la prochaine fois, il aura à sa disposition le matériel ELF/VLF adéquat. Documents NASA/Geophysical Institute/U.Alaska et Kevin Parker/VK4BKP.

Les "gigantic jets" (GJ) furent découverts en 2001 par le Dr Victor Pasko à Porto Rico. Depuis, des centaines de sprites ont été enregistrés, y compris par des amateurs. Ces jets peuvent s'étendre sur 100 km au-dessus des nuages d'orage. Ils ressemblent à un jet de météores, si ce n'est qu'ils apparaissent près de l'horizon et sont émis vers le ciel. Leur lueur peut persister environ une seconde. Ils sont notamment étudiés par Oscar van der Velde du Laboratoire d’Aérologie de l'Université Paul Sabatier de Toulouse, en France.

Comment observer et photographier ou filmer les TLE ?

Le phénomène est plus courant qu'on le pense, mais il faut que les conditions d'observation soient réunies, à savoir que l'observateur regarde le ciel au cours de la nuit, à bonne distance d'un système orage (plus il a de cellules orageuses plus les chances augmentent d'observer des sprites et autres TLE) et qu'il y ait des éclaircies dans votre direction.

Les sprites et aux jets de plasma ne sont visibles qui si l'observateur peut observer le sommet du nuage, ce qui le force à se placer à bonne distance de la zone orageuse et d'avoir une vue dégagée vers celle-ci. Les TLE étant beaucoup moins brillants qu'un éclair, le moment idéal pour les observer est soit au petit matin soit au crépuscule en présence d'un front froid où le ciel est généralement dégagé entre les nuages et le fond du ciel relativement sombre pour faire ressortir les TLE sur l'arrière-plan.

Au soir du 31 juillet 2017 au sommet du Hohneck (363 m) dans les Vosges, alors qu'un vaste système orageux traversa l'est de la France à plus de 300 km de distance, Stéphane Vetter enregistra au total 31 sprites et autres TLE depuis ce site propice à ce genre d'observation. Il s'agit du compositage d'une séquence vidéo en 4K à 25 fps réalisée avec un APN Sony A7S équipé d'optiques de 14, 24, 35 et 85 mm ouvertes entre f/1.4 et f/1.8 et relié à un enregistrreur externe Atomos Shogun 4K. Voir également la vidéo sur Viméo enregistrée quelques jours auparavant.

La distance entre l'orage et l'observateur doit être importante, comprise entre 50 et 600 km sachant que les TLE peuvent s'observer jusqu'au-delà de 95 km d'altitude.

Un simple APN, même sans capacités vidéos permet de les enregistrer. Idéalement, pour être certain d'encadrer le phénomène, il est conseillé d'utiliser une optique grand-angle offrant un champ étendu (entre 63-92° soit entre 35-21 mm de focale pour un format full frame de 35 mm) mais pas beaucoup plus car cela réduit d'autant la taille du sujet.

Afin de capturer un maximum de lumière, le diaphragme doit être ouvert au maximum, d'où l'intérêt d'utiliser une optique de qualité et très lumineuse (idéalement entre f/1.2 et f/1.8). Mieux vaut choisir une sensibilité élevée (3200 ISO, certains montant même jusqu'à 25600 ISO lorsque la qualité des images le permet) et un temps d'exposition lent (quelques secondes) en veillant à ne pas surexposer l'image si le ciel est lumineux ou l'activité orageuse est violente. On peut également réaliser une séquence en rafale durant 5-10 secondes, chaque image étant exposée environ 1/10 s voire plus lentement.

La balance des couleurs doit être établie sur la lumière du jour pour éviter les dominances aux couleurs trop artificielles. 

Enfin, les photos doivent si possible être enregistrées au format RAW pour préserver toute les informations sur les conditions de prises de vues et les couleurs. A défaut on se contentera du format JPG mais non compressé pour éviter de perdre des détails.

Si votre APN dispose d'une fonction vidéo ou si vous disposez d'une caméra vidéo HD ou 4K, profitez-en pour réaliser des séquences à 25 fps (ou à haute vitesse si vous appareil le permet) à pleine ouverture.

Enfin, rappelons qu'on peut également enregistrer plus facilement les TLE en altitude au moyen d'une caméra CCD équipée d'un grand-angle combiné à un amplificateur d'image. Mais cela ne donnera que des images en noir et blanc, une solution qui ne séduit pas beaucoup d'amateurs.

Il va de soi que les APN de dernière génération de milieu ou haut de gamme avec tous leurs fonctions HD et leur très haute sensibilité à très faible bruit sont avantagés pour ce genre d'application. Néanmoins leur prix élevé (au moins 2000 € pour le boîtier et entre 500 et plus de 2000 € pour une optique de qualité) les réserves aux amateurs avertis.

Notons que les APN et autres caméscopes équipés d'une sortie HDMI 4K peuvent tirer avantage de l'enregistreur externe Atomos Shogun (1800 €) sorti en 2014 qui permet de réaliser des séquences vidéos jusqu'à 30 fps en 10 bits au format RAW. Un must pour tous les photographes et vidéastes amateurs de prises de vues cinématographiques en plein air en très haute défnition (voir la courte revue sur Focus Numérique).

A voir : Vivid red sprite burst, Scott McPartland

Sprites in Australia, Caters News

Red Sprites over The Channel, Stéphane Vetter sur vimeo

Red sprites over a convective storm, blog de Laura Kranich

A gauche, éruption de sprites filmée par Scott McPortland le 16 mai 2016 près d'Amarillo, au Texas. Scott utilisa un APN Sony A7S II équipé d'une grand-angle Zeiss f/1.4. L'image est extraite du film présenté ci-dessus en 4k réalisé à 32000/51000 ISO. Au cente, un gigantesque jet bleu photographié par Phebe Pan le 13 août 2016 pendant une séance d'observation des Perséides organisée au sommet du mont Shi Keng Kong, la plus haute montagne de la province de Guangdong en Chine. C'est la première photographie d'un JG prise au moyen d'un APN équipé d'une optique panoramique. Pan utilisa un APN Canon EOS 6D avec un fish-eye Sigma de 15 mm. Exposition de 10 s à f/2.8, 1600 ISO à 22h43 locale. Pan expliqua qu'il a "soudainement vu un flash bleu et pourpre éjecter du sommet du nuage d'orage proche. Il ressemblait à un arbre avec des branches. Vraiment génial !". A droite, des sprites photographiés au Costa Rica par Douglas Parker lors d'un reportage de l'équipe BBC Earth le 17 janvier 2017. Il s'agit de la superposition d'une série de photos exposées 8 secondes sans intervalle.

Ensuite, idéalement il faudra traiter les images sur ordinateur au moyen soit d'un logiciel adapté à l'édition et la postproduction de séquences vidéos (Adobe Lightoom, Magix Video Pro, Première, Final Cut Pro, etc.) ou de traitement d'image (Photoshop, etc.) pour révéler tous les détails.

Finalement, le plus difficile est de localiser à l'aveugle l'endroit du ciel d'où émanent les TLE. En effet, si les jets et autres sprites ou halos apparaissent au-dessus des cellules orageuses les plus actives et donc a priori les plus développées et les plus brillantes, vus du sol les TLE peuvent apparaître plusieurs degrés au-dessus des nuages, apparemment dans un ciel clair ou apparaître en périphérie de la cellule active par un effet de perpective.

Ces jets colorés sont tellement rapides que généralement on ne les voit pas mais le capteur photosensible de l'APN les enregistre facilement comme en témoigne la galerie d'images présentée sur le site Spaceweather. Régulièrement, des astronomes amateurs publient des images de sprites sur les réseaux sociaux dont Facebook, Twitter et Instagram.

Nature des TLE

Les chercheurs pensent que ces émissions correspondent à des bouffées d’ionisation dont l’origine est liée à l’activité ionosphérique[1], un couplage électronique se créant entre les différentes couches de l'ionosphère.

Les TLE sont principalement étudiés par un groupe de chercheurs européens réunis dans le cadre du projet CAL (Coupling of Atmospheric Layers). Le blog Eurosprite rassemble également de la documentation sur ces phénomènes tandis que le groupe Facebook International Observers of Upper-Atmospheric Electric Phenomena réunit les photographes amateurs passionnés par le sujet.

Rappelons qu'à grande échelle, le champ géomagnétique est confiné dans un gigantesque espace, la magnétosphère, qui s'étend sur plus de 12 rayons terrestres. Elle est écrasée en direction du Soleil par la pression du vent solaire tandis qu'elle s'étire indéfiniment dans la direction opposée, formant une queue sur plus de 100 rayons terrestres qui traverse l'orbite de la Lune, non sans produire sur notre satellite quelques effets lumineux transitoires (voir les LTP).

La magnétosphère participe également à la formation des aurores en canalisant ou stockant les particules chargées issues du Soleil et des étoiles proches.

A voir : Sprites photographiés depuis ISS par Satoshi Furukawa (2012)

 Jets bleus et sprites enregistrés depuis ISS (2015)

Enregistrés par Andreas Mogensen dans le cadre de l'expérience THOR

Des sprites (jets rouges) sont visibles à la séquence 0:21

Jets bleus Sprites Sprites

MPEG de 155 Kb (gauche), GIF de 101 Kb (centre) et MPV de 1.3 Mb (droite). Ce dernier document a été réalisé par Kevin Parker le 27 novembre 2005 à Mackay, au Queensland, en Australie vers 11h30 TU (09h30pm EST) pendant un orage. Ce film n'a pas été enregistré en temps réel. C'est une succession d'instantanés (time-lapse) réalisés au moyen d'une caméra vidéo Mintron N/B sensible aux faibles lumières et munie d'un objectif de 8mm f/1.3 dont les meilleures séquences AVI ont été extraites pour réaliser ce film. Le temps d'intégration est de 1.25 sec par image, ce qui a accentué l'impression des photons sur le CCD. En réalité le phénomène lumineux est beaucoup moins brillant à l'oeil nu. La vitesse/image AVI est de 3 images/sec et de 2 images/sec par le document MPEG. L'étoile brillante au-dessus du centre est Canopus, une partie du Grand Chien est visible à l'extrême gauche tandis que le pôle céleste Sud est hors-champ à l'extrême droite.

Documents NASA/Geophysical Institute/U.Alaska et Kevin Parker/VK4BKP

Ainsi qu'on le constate, de nombreux types de phénomènes peuvent perturber l'atmosphère et l'ionosphère : orages atmosphériques ou magnétiques, aurores polaires, instabilités de plasma, TLE, etc. Certains de ces phénomènes impliquent un couplage entre les différentes couches de l'atmosphère, voire entre la terre et l'atmosphère. Outre les phénomènes décrits ci-dessus, il existe deux autres phénomènes à l'origine de perturbations et moins connus du public :

- les perturbations de l'ionosphère pendant les éclipses solaires (cf. l'article Eclipses and the D-layer absorption sur ce site)

- les effets des séismes sur l'ionosphère (voir notamment l'article de l'IPGP et ceux du NHESS).

A ce propos, le CEA en France a publié un rapport de synthèse sur ces différentes manifestations.

Pour plus d'informations

Atomos Shogun (enregistreur vidéo 4K)

Galerie photo de sprites et autres jets, Spaceweather

All-Sky Cam France (section sprites)

International Observers of Upper-Atmospheric Electric Phenomena, groupe Facebook public

Eurosprite (campagnes d'observations)

Coupling of Atmospheric Layers (CAL)

Profuse activity of blue electrical discharges at the tops of thunderstorms (exp. THOR à bord d'ISS), Olivier Chanrion et al., AGU Publ., 2017

Ground and Balloon-Borne Observations of Sprites and Jets, University of Houston.

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[1] Consulter à ce sujet les travaux de D.Osborne du Geographical Institute (UAF), de D.Sentman et E.Westcott de l’Université d’Alaska ainsi que ceux de D.Holden du laboratoire de Los Alamos.


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