L’éclair volcanique paraît surréaliste : un arc de lumière s’élève du cratère et s’étire vers des cieux ternes. Bien que les scientifiques sachent ce qui provoque de tels phénomènes à la fois redoutables et magnifiques, certains détails plus petits demeuraient inexpliqués — jusqu’à présent.
Dans un article publié récemment dans Nature, des physiciens attribuent à un « film » moléculaire de carbone certains phénomènes comme l’éclair volcanique. Théoriquement, les cendres volcaniques — une masse gazifiée composée de particules de dioxyde de silicium qui entrent en collision — ne devraient pas subir des effets triboélectriques, c’est‑à‑dire l’échange de charges électriques, puisqu’elles appartiennent toutes au même type de particule. Or dans la nature, elles se chargent de la même façon que les cheveux qui s’attachent à un ballon après un frottement énergique. Selon la nouvelle étude, un « cocktail » riche en carbone d’espèces moléculaires et atomiques dans l’atmosphère déclenche cette électrification des particules du même type.
Suivi d’un éclair volcanique
Les effets triboélectriques ne constituent qu’une des nombreuses causes connues de l’éclair volcanique, phénomène observé et étudié par l’Oregon State University depuis plus de 200 ans. Par exemple, en 2016, des chercheurs ont découvert que la glace joue un rôle dans certains cas d’éclairs volcaniques. Ce mécanisme rappelle celui des nuages d’orage ordinaires dans la mesure où les interactions entre des cristaux de glace très hauts et les nuages de cendres génèrent de l’électrification.
Ce mécanisme basé sur la glace pourrait coexister avec les effets triboélectriques, selon National Geographic. Aux premiers stades d’une éruption volcanique, la partie aqueuse du magma se vaporise rapidement et se charge lors de sa rencontre avec l’air. Ces particules excitées se dispersent dans l’atmosphère, entrent en collision et génèrent des effets triboélectriques. Lorsque le panache de cendres s’élève suffisamment pour geler, les taux d’éclairage explosent, a expliqué National Geographic.
Le carbone ne meurt jamais
Pour l’étude, les chercheurs ont cherché à reproduire les processus moléculaires qui interviennent lors des éruptions volcaniques. Ils ont mis au point une petite chambre sonore, utilisant des ondes sonores pour suspendre de petites sphères de dioxyde de silicium sur une plaque du même matériau. Puis ils ont projeté les sphères contre la plaque et mesuré si celle‑ci devenait chargée électriquement.
Ils ont répété la même expérience en ajustant légèrement chaque essai pour tenir compte de facteurs tels que la hauteur ou l’humidité. L’équipe a aussi tenté de laver la particule et de la laisser reposer un moment, puis de vérifier combien de matière carbonée la particule avait accumulée simplement en vivant dans un environnement non vide.
« Nous avons constaté que cet effet [des molécules à base de carbone] surpasse tout le reste », a déclaré Galien Grosjean, auteur principal de l’étude et physicien à l’Université autonome de Barcelone en Espagne, à New Scientist.
« Les résultats des auteurs montrent que la charge triboélectrique est fondamentalement un phénomène interfacial, façonné à la fois par des facteurs chimiques et mécaniques », a écrit Simone Ciampi, chercheuse à l’Université Curtin en Australie qui n’était pas impliquée dans la nouvelle étude, dans un éditorial associé News & Views.
Du volcan aux laboratoires
Le défi de toute étude sur des phénomènes extrêmes est qu’il est presque impossible d’examiner le système directement. Autrement dit, l’équipe ne va pas probablement voler à l’intérieur d’un nuage de cendres volcaniques pour vérifier son travail. Néanmoins, l’étude offre une perspective fascinante sur des facteurs inattendus qui interviennent dans une force aussi couramment observée que la friction. Pour l’un, cela pourrait compliquer le travail des scientifiques des matériaux, dont les expériences exigent souvent des surfaces impeccables pour écarter l’influence de forces indésirables.
« Les gens savent que les surfaces portent beaucoup de crasse », a déclaré Daniel Lacks, ingénieur chimique à l’Université Case Western Reserve, au New Scientist. « Mais je n’ai jamais vu cela apparaître dans la charge triboélectrique. »
En revanche, ces résultats pourraient éclairer la manière dont les chercheurs contrôlent et modélisent la charge triboélectrique à leur guise, a déclaré Ciampi. Dans ce cas, cela signifierait des avancées dans des technologies telles que l’impression au laser, le traitement des minéraux et le traitement des gaz d’échappement industriels.
