Étincelles électriques dans la canopée lors des orages

La foudre reste la manifestation électrique la plus spectaculaire d’un orage - mais ce n’est peut-être pas la seule à entrer en contact avec le sommet des forêts.

Pour la première fois, des scientifiques ont observé des feuilles d’arbres émettre de très faibles étincelles électriques pendant des épisodes orageux, montrant que des canopées entières peuvent laisser s’échapper de minuscules courants dans l’air.

Autrement dit, au lieu d’un unique impact de foudre, un massif forestier pourrait subir des milliers de frémissements électriques discrets : des décharges presque imperceptibles capables de modifier la surface des feuilles et d’infléchir la chimie de l’air local.

À l’aide d’un télescope ultraviolet installé sur une camionnette, l’équipe a suivi des bouffées de décharge corona sautant d’une pointe de feuille à l’autre au passage des orages.

Le météorologue Patrick McFarland, à Penn State, a consigné des flashs répétés au cours de plusieurs tempêtes et sur différentes essences, ce qui laisse penser que cet échange silencieux entre ciel et canopée est plus courant qu’on ne l’imaginait.

Là où l’étincelle électrique apparaît

Un orage d’été a offert l’observation la plus nette à ce jour. Pendant 90 minutes, la caméra ultraviolet est restée braquée sur trois branches d’un copalme d’Amérique tandis que des nuages sombres glissaient au-dessus.

Sur cette seule période, les chercheurs ont recensé 41 bouffées distinctes de corona - de faibles fuites électriques jaillissant des pointes acérées des feuilles.

Certaines lueurs ont persisté jusqu’à trois secondes, et l’éclat passait souvent d’un bord de feuille à un autre à mesure que la charge de l’orage se réorganisait au-dessus de la canopée.

« Ces choses arrivent vraiment. Nous les avons vues. Nous savons maintenant qu’elles existent », a déclaré McFarland.

Charger la canopée forestière

Dans les hauteurs d’un nuage d’orage, les charges positives et négatives se séparent progressivement, et le sol en dessous commence à accumuler la charge opposée.

Cette charge remonte alors via les racines et le tronc, se dirige vers les points les plus élevés, puis se concentre aux extrémités des feuilles, là où l’air devient plus conducteur.

Quand la charge s’échappe par ces arêtes vives, elle produit une corona - abréviation de « décharge corona » - et génère une lueur ténue, sans commune mesure avec la foudre.

Même si la décharge reste froide, très localisée, et ne fait pas éclater le bois, elle peut malgré tout altérer la surface des feuilles.

L’ultraviolet révèle des courants cachés

En plein air, la lumière visible d’une décharge corona est trop faible pour ressortir sous les nuages d’orage. Les chercheurs ont donc réglé leur caméra sur l’ultraviolet - une bande invisible à l’œil humain - afin d’enregistrer des flashs qui, autrement, passeraient inaperçus.

Des calibrations en laboratoire ont ensuite converti cette luminosité ultraviolette en courant électrique, avec une estimation d’environ un millionième d’ampère provenant d’une seule branche.

Cette étape était déterminante, car c’est le courant - et non la lueur en elle-même - qui indique la quantité d’énergie effectivement transmise à la feuille.

Aux pointes très fines, cette énergie se focalise. En tests de laboratoire, des décharges corona ont brûlé des tissus et semblent avoir endommagé la cuticule, ce revêtement cireux qui aide les feuilles à conserver l’eau.

Un seul épisode ne laisserait qu’une trace minuscule, mais des orages répétés pourraient, à la longue, étendre ces lésions sur de nombreuses feuilles.

Ce que l’on ignore encore, c’est la réaction des arbres dans la durée. Sans contrôles de terrain minutieux après les tempêtes, les scientifiques ne savent pas quelles espèces récupèrent vite, ni lesquelles risquent de perdre une partie de leur capacité photosynthétique pendant des semaines, voire des saisons.

Des étincelles électriques qui remodèlent l’air

Au-delà des brûlures aux extrémités des feuilles, la corona pourrait aussi modifier l’air que les forêts respirent pendant les orages.

Lorsque la charge électrique s’échappe des arêtes vives des arbres, elle peut favoriser la formation de composés très réactifs. Une étude de 2022 a montré que les décharges corona peuvent augmenter les niveaux du radical hydroxyle - une molécule à vie courte mais très puissante, qui contribue à éliminer des polluants de l’atmosphère.

Quand ces réactions chimiques s’intensifient, elles peuvent dégrader rapidement les gaz naturels émis par les feuilles et faire grimper localement les concentrations d’ozone et de particules.

L’effet resterait probablement concentré près des cimes, car les orages rapides et la pluie diluent et lessivent vite ces bouffées.

Malgré tout, chaque scintillement correspond à une petite impulsion de chimie atmosphérique, répétée encore et encore au passage des cumulonimbus.

L’étincelle électrique des arbres est difficile à mesurer

Les vents d’orage maintiennent les feuilles en mouvement permanent, faisant pivoter et basculer leurs pointes vers le ciel ou à l’opposé. La corona a tendance à s’allumer là où une feuille pointe le plus directement vers le haut, et un léger changement d’angle peut modifier fortement la concentration de charge.

Les surfaces mouillées peuvent aussi détourner le courant vers d’autres arêtes, ce qui fait « sauter » la lueur de manière imprévisible d’une pointe à l’autre. Les aiguilles de pin, naturellement très pointues, ont montré des scintillements comparables à ceux observés chez des feuillus comme le copalme.

Cette agitation rend le phénomène complexe à capturer. Le télescope ultraviolet ne pouvait cadrer qu’une petite portion de canopée à la fois, et des feuilles superposées se masquaient parfois entre elles.

Des décharges très faibles ont probablement échappé au seuil de détection de la caméra, rendant presque inévitable une sous-estimation lorsqu’on tente d’évaluer l’activité à l’échelle d’une forêt entière.

Malgré ces limites, des signaux similaires sont apparus lors de quatre autres chasses aux orages, de la Floride à la Pennsylvanie, et sur plusieurs essences.

« Ce serait probablement un sacré spectacle, comme si des milliers de lucioles clignotant en UV descendaient sur les cimes », a déclaré McFarland.

Cartographier les étincelles à l’échelle des forêts

Avec cette confirmation sur le terrain, les scientifiques peuvent désormais dépasser la simple preuve de concept et commencer à mesurer la fréquence d’apparition de la corona dans différents types de forêts, ainsi que la réponse des feuilles dans les jours qui suivent.

En collaborant avec des écologues, McFarland souhaite associer les images ultraviolettes à des relevés détaillés des feuilles afin de suivre les dommages de surface et la déshydratation après les orages.

L’ajout de capteurs d’air près des cimes pourrait indiquer l’intensité de chaque bouffée chimique, tandis que les données météorologiques aideraient à relier les épisodes de corona à des configurations nuageuses précises.

Tant que les chercheurs n’auront pas cartographié ces lueurs sur des peuplements entiers et répété les mesures au fil de nombreux orages, les estimations de l’impact à l’échelle des forêts resteront approximatives.

Néanmoins, ces travaux modifient la façon dont les scientifiques envisagent les interactions entre orages et forêts : ils montrent que les arbres et la météo sont reliés par autre chose que la foudre, et qu’un processus électrique longtemps invisible peut désormais être mesuré directement pour améliorer les études de santé des arbres et les modèles de l’air local.