Les scientifiques utilisent les rayons cosmiques pour étudier les tornades et autres tempêtes violentes

Les rayons cosmiques pourraient offrir aux scientifiques un autre moyen de suivre et d’étudier les tornades violentes et autres phénomènes météorologiques violents, suggère une nouvelle étude.

En combinant des données météorologiques locales avec des simulations astrophysiques complexes, les chercheurs ont étudié si un appareil qui détecte généralement les particules de haute énergie appelées muons pourrait être utilisé pour mesurer à distance les orages supercellulaires produisant des tornades.

Les instruments conventionnels de suivi des tornades s’appuient sur des mesures effectuées par des technologies telles que des drones ou des ballons météorologiques, mais ces méthodes nécessitent souvent que les humains s’approchent dangereusement de la trajectoire d’une tempête imminente.

Cependant, en étudiant la façon dont ces tempêtes affectent les muons, qui sont plus lourds que les électrons et voyagent dans la matière à une vitesse proche de celle de la lumière, ces découvertes peuvent servir d’outil supplémentaire aux scientifiques pour obtenir une image plus précise des conditions météorologiques sous-jacentes.

« Le problème avec les muons atmosphériques, c’est qu’ils sont sensibles aux propriétés de l’atmosphère qu’ils traversent », a déclaré William Luszczak, auteur principal de l’étude et chercheur au Centre de cosmologie et de physique des astroparticules de l’Université d’État de l’Ohio.

« Si vous avez un groupe de muons qui a traversé un orage, la quantité que vous allez mesurer de l’autre côté est différente de celle d’un groupe de muons qui a traversé une belle journée. »

L’étude est publiée sur le serveur de pré-impression arXiv.

Comparés à d’autres particules cosmiques, les muons ont de nombreuses applications concrètes uniques, notamment en aidant les scientifiques à observer l’intérieur d’objets volumineux et denses comme les pyramides ou à détecter des matières nucléaires dangereuses. Or, les simulations de Luszczak présentées dans cet article impliquent que les orages supercellulaires provoquent de très légers changements dans le nombre, la direction et l’intensité de ces particules.

Pour déterminer cela, les chercheurs ont appliqué un modèle de nuages ​​tridimensionnel qui pouvait prendre en compte plusieurs variables, notamment le vent, la température potentielle, la pluie, la neige et la grêle. Puis, en utilisant les observations atmosphériques recueillies à partir de la supercellule de 2011 qui a traversé El Reno, dans l’Oklahoma, et a engendré une épidémie de tornades, Luszczak a appliqué ces informations pour mesurer les variations de pression atmosphérique dans la région autour d’une tempête simulée sur une période d’une heure.

Dans l’ensemble, leurs résultats ont montré que les muons sont effectivement affectés par le champ de pression à l’intérieur des tornades, bien que des recherches supplémentaires soient nécessaires pour en savoir plus sur le processus.

En termes de son efficacité sur le terrain, le concept est particulièrement attrayant, car l’utilisation de muons pour prédire et analyser les futurs modèles météorologiques signifierait également que les scientifiques n’auraient pas nécessairement besoin d’essayer de placer des instruments très près d’une tornade pour obtenir ces mesures de pression, a déclaré Luszczak.

Cependant, le type de détecteur de particules de muons envisagé dans l’article de Luszczak est beaucoup plus petit que d’autres projets de rayons cosmiques plus connus, tels que l’observatoire Pierre Auger en Argentine et le réseau de télescopes de l’université de l’Utah.

Malheureusement, ces détecteurs ne se trouvent pas dans des endroits où ils peuvent étudier les tornades, a déclaré Luszczak, mais s’ils étaient placés dans une région comme Tornado Alley aux États-Unis, les chercheurs imaginent que l’appareil pourrait facilement compléter les mesures météorologiques et barométriques typiques de l’activité tornade.

Cela dit, la taille de l’appareil influence également la précision de ses mesures, car sa mise à l’échelle augmente le nombre de particules qu’il peut détecter, a déclaré Luszczak.

Le plus petit détecteur décrit par les chercheurs dans cette étude mesure 50 mètres de diamètre, soit environ la taille de cinq bus. Mais même si un tel outil serait suffisamment portable pour permettre aux scientifiques de le placer à proximité de nombreux types de systèmes orageux différents, sa petite taille entraînerait probablement des erreurs dans la collecte de données, a déclaré Luszczak.

Malgré ces inconvénients potentiels, étant donné que les orages supercellulaires se forment et disparaissent généralement sur de courtes périodes, l’article souligne qu’il pourrait être utile pour les futurs scientifiques d’envisager de mettre en place un grand détecteur dans certaines régions, un détecteur qui serait probablement un établissement stationnaire permanent pour capturer autant de muons que possible lors d’événements météorologiques violents.

Plus important encore, étant donné que les systèmes actuels de modélisation météorologique sont directement liés au moment et au lieu où les alertes météorologiques violentes sont émises, l’utilisation des rayons cosmiques pour renforcer ces modèles donnerait au public une idée plus détaillée des différents rebondissements d’une tempête ainsi que plus de temps pour se préparer au phénomène.

« En mesurant mieux l’atmosphère qui entoure une tornade, nous améliorons notre modélisation, ce qui améliore la précision de nos alertes », a déclaré Luszczak. « Ce concept est très prometteur et c’est une idée vraiment passionnante à essayer de mettre en pratique. »