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Comment les tempêtes de sable génèrent des éclairs spectaculaires
L'une des caractéristiques fascinantes des panaches de nuages volcaniques est l'extraordinaire exposition d'éclairs qu'ils génèrent. Des décharges similaires se produisent dans les tempêtes de sable et dans la poussière soulevée par les hélicoptères survolant les déserts, provoquant des arcs électriques dangereux. Ces orages sont aussi déroutants que spectaculaires.
Il y a deux parties au problème. Premièrement, les particules de sable sont plus ou moins identiques, en taille, en forme et en chimie. Comment alors transfèrent-ils la charge entre eux ? Deuxièmement, les particules de sable sont des isolants et non des conducteurs, ce qui rend doublement étrange qu'elles puissent être impliquées dans le transfert de quantités de charge aussi massives. Que se passe-t-il sur Terre ?
Aujourd'hui, Thomas Pähtz de l'Ecole polytechnique fédérale de Zurich et quelques amis disent qu'ils peuvent tout expliquer avec un nouveau modèle d'une simplicité trompeuse. De plus, leur modèle fait des prédictions simples sur la façon dont les particules de sable transfèrent la charge.
Voici leur idée. Ils commencent par considérer les particules de sable comme des sphères diélectriques identiques. Dans un champ électrique, les particules diélectriques se polarisent, provoquant l'accumulation de charges de chaque côté des sphères de sable. Lorsque deux sphères se touchent, la charge se redistribue à travers la frontière entre elles, créant une particule plus grosse et doublement polarisée. L'idée clé est ce qui se passe lorsque cela se divise à nouveau en deux : chaque particule se retrouve avec une charge nette (voir l'image ci-dessus). Le processus de polarisation recommence alors permettant aux particules d'augmenter encore leur charge à chaque collision. Il n'est pas difficile de voir comment un nombre relativement faible de collisions pourrait finir par transférer d'énormes quantités de charge malgré l'absence de tout type de milieu conducteur.
Ce modèle fait des prédictions intéressantes sur la vitesse à laquelle un nuage de sable devrait pomper sa charge. Par exemple, il prédit que les nuages de poussière peu profonds finiraient par ne se charger que faiblement. C'est ce à quoi vous pouvez vous attendre avec des vents faibles ou des grains lourds. De même, des nuages très épais ne devraient entraîner qu'une faible charge. Cependant, Pahtz et co disent que dans les nuages intermédiaires, il devrait y avoir une charge dramatique. Et bien sûr, c'est exactement ce qu'ils trouvent, à la fois dans les simulations numériques de nuages de poussière et dans les expériences réelles qu'ils ont réalisées avec du vrai sable.
Nous trouvons comme prévu que les lits agités peu profonds - comme on pouvait s'y attendre dans des vents faibles ou pour des grains lourds - se chargent faiblement, tout comme les lits agités très profonds - comme on pourrait s'y attendre pour des matériaux hautement dissipatifs. Dans des conditions intermédiaires, cependant, nous observons une charge dramatique, les particules les plus chargées se trouvant préférentiellement près du sommet du lit agité, disent-ils.
C'est une idée élégante qui produit des résultats fascinants. Mais cela laisse ouverte une question très importante. Dans les vraies tempêtes, qu'est-ce qui génère le champ électrique qui polarise les particules de sable en premier lieu ? Il semble que Pahtz et co auront un temps intéressant à venir pour aller au fond de celui-ci.
Réf : http://arxiv.org/abs/1003.5188 Pourquoi les nuages de particules génèrent-ils des charges électriques ?