Un orage sans nuage
Dans la nuit du 15 janvier 2022, un chapelet d’antennes radio disséminées dans le Pacifique Sud a commencé à enregistrer quelque chose qui n’aurait pas dû être possible. Un volcan sous-marin du royaume des Tonga, Hunga Tonga–Hunga Ha’apai, venait de projeter hors de l’océan, jusque dans la mésosphère, une colonne de cendres, de gaz et d’eau de mer vaporisée. À l’intérieur de cette colonne, la foudre jaillissait au rythme de 2 615 éclairs par minute. Aucun orage jamais enregistré par les réseaux mondiaux de détection de la foudre ne s’en était approché.
Voilà la foudre volcanique, un phénomène assez ancien pour qu’un adolescent romain l’ait vu pendant que son oncle mourait en naviguant vers elle, et assez étrange pour que les chercheurs débattent encore de son fonctionnement exact.
Qu’est-ce que la foudre volcanique ?
La foudre volcanique est une décharge électrique produite à l’intérieur ou autour du panache d’un volcan en éruption, et non à l’intérieur d’un nuage de pluie ordinaire. Comme la charge s’accumule dans un nuage de cendres et non dans un nuage de gouttelettes d’eau, le phénomène a reçu le surnom d’« orage sale ».
La physique de base est la même que celle de la foudre ordinaire. Dans un nuage turbulent, des particules acquièrent des charges électriques opposées, ces charges se séparent en régions distinctes, et quand la différence de potentiel devient assez grande, l’air cède et une étincelle jaillit. Ce qui diffère, c’est la cargaison. Un nuage d’orage est plein d’eau et de glace. Un panache volcanique est plein de roche pulvérisée, et cela change les processus de charge qui comptent.
L’histoire : de Pline le Jeune à l’Observatoire du Vésuve
Le plus ancien témoignage écrit qui nous soit parvenu est celui de Pline le Jeune, qui observa l’éruption du Vésuve de 79 apr. J.-C. depuis Misène, de l’autre côté de la baie, et évoqua plus tard « une obscurité très intense, rendue plus effrayante encore par la lueur intermittente des torches, par moments voilée par l’éclat fugitif des éclairs ». Son oncle, Pline l’Ancien, fit voile vers l’éruption et mourut.
Pendant les siècles qui ont suivi, la foudre volcanique est restée au rang de curiosité rapportée par des témoins oculaires. La première tentative de l’étudier de façon systématique est venue de Luigi Palmieri, qui dirigeait l’Observatoire du Vésuve et a consigné l’activité électrique lors des éruptions de 1858, 1861, 1868 et 1872. Le Vésuve s’est prêté au jeu à plusieurs reprises. Le phénomène a depuis été observé lors de centaines d’éruptions dans le monde entier.
Qu’est-ce qui provoque la foudre volcanique ? Les trois mécanismes de charge
Il existe plusieurs façons de charger électriquement les particules d’un panache volcanique, et elles n’agissent pas toutes au même endroit.
Fractoémission (charge par fragmentation)
Lorsque le magma est déchiqueté dans le conduit et pulvérisé en cendres, la fracturation de la roche et du verre éjecte des électrons et des ions. Ce processus, appelé fractoémission, charge les particules dès la source, avant même que les cendres aient quitté la bouche éruptive. Pour les panaches riches en particules solides de silicates, la fractoémission est probablement la source dominante de la charge initiale.
Charge triboélectrique (par collision)
Une fois les cendres en suspension dans l’air, les particules se frottent et s’entrechoquent dans le jet turbulent, échangeant des charges comme le fait un ballon contre des cheveux. Ce processus de frottement ou de collision s’appelle la charge triboélectrique. Corrado Cimarelli, volcanologue expérimental à l’université Louis-et-Maximilien de Munich, a décrit un panache volcanique comme un environnement parfait pour le frottement : un jet dense et turbulent où les particules se heurtent sans cesse. Dans un article de 2014 paru dans Geology, Cimarelli et ses collègues ont produit de la foudre volcanique en laboratoire en projetant des mélanges de gaz et de particules à travers une buse, et ont constaté que les décharges étaient commandées par la dynamique du jet chargé de particules et par l’abondance de cendres fines.
Charge par la glace, de type « orage sale »
Plus haut, un troisième mécanisme prend le relais. Si un panache s’élève au-dessus du niveau atmosphérique de congélation, la vapeur d’eau se condense et gèle, produisant des cristaux de glace, de l’eau surfondue et du grésil. Les collisions entre ces particules génèrent de la charge de la même manière qu’un orage ordinaire. C’est le mécanisme de charge par la glace, et il devient important dès que le panache atteint des altitudes où la température est négative.
Quel mécanisme domine, et où
Le mécanisme dominant dépend surtout de l’altitude. Près de la bouche éruptive et dans les panaches bas, la charge des silicates par fragmentation et par collision domine. Plus haut, dès qu’un panache franchit le niveau de congélation, la charge par la glace prend le relais. Une étude de l’U.S. Geological Survey (USGS) de 2020 sur l’éruption du Bogoslof l’a formulé sans détour : « les panaches n’ont pas produit de foudre détectable avant de s’élever au-dessus du niveau atmosphérique de congélation », assimilé ici au niveau de −20 °C, où la glace s’est formée dans la partie haute du panache. McNutt et Williams ont constaté que les hauteurs de panache observées se regroupent en deux bandes. Comme ils l’ont rapporté en 2010, « les hauteurs des panaches de cendres (142 observations) présentent une distribution bimodale, avec des pics principaux à 7–12 km et 1–4 km », ce qui est cohérent avec deux régimes différents opérant à des altitudes différentes.
Les trois régimes d’éclairs
Les réseaux de cartographie de la foudre, qui localisent les décharges en trois dimensions à l’aide de signaux radio, ont montré que l’activité électrique traverse des phases distinctes au cours d’une éruption.
Décharges à la bouche éruptive
Tout au début d’une explosion, la zone de poussée des gaz juste au-dessus de la bouche éruptive se remplit de minuscules étincelles. Ces décharges de bouche sont petites, de l’ordre de quelques mètres à quelques dizaines de mètres, et elles se produisent par rafales rapides, ce qui engendre un signal radiofréquence continu caractéristique. À Augustine, en 2006, les chercheurs les ont interprétées comme de petites étincelles de 10 à 100 mètres de long, émises à des cadences de plusieurs milliers à plusieurs dizaines de milliers par seconde. Des mesures ultérieures au Sakurajima ont montré que les impulsions individuelles sont encore plus petites, des décharges de type streamer longues de quelques mètres seulement, et non des éclairs en miniature. Leur présence vous indique que les cendres sont chargées au plus tard au moment où elles quittent la bouche éruptive.
Éclairs proches de la bouche
Quelques secondes plus tard, des éclairs plus grands se développent dans la partie basse de la colonne éruptive, en grimpant depuis le cône. Ces éclairs proches de la bouche mesurent environ 1 à 7 km de long et durent une fraction de seconde, et certains rejoignent le sol. Ils sont liés aux processus de fragmentation et de collision qui se déroulent dans la partie basse et dense du panache. L’étude de 2016 de Cimarelli et de ses collègues au Sakurajima, au Japon, a combiné vidéo à haute vitesse synchronisée, mesures magnétotelluriques et infrasons pour saisir précisément ces décharges proches de la bouche, et a relié leur apparition à la dynamique et à la hauteur du panache.
Éclairs du panache
Quelques minutes après l’explosion, la foudre se développe dans la partie convective et dérivante du panache et dans le nuage en ombrelle qui s’étale. Cette foudre de panache ressemble le plus à la foudre d’un orage ordinaire, peut s’étendre sur de nombreux kilomètres, et c’est là que l’eau et la glace jouent leur rôle le plus important. Les plus grands éclairs ont tendance à survenir tardivement, quand la structure de charge du panache s’organise en larges couches horizontales.
Billes de verre volcanique : la preuve fossile dans les retombées de cendres
La foudre volcanique laisse une empreinte physique. En 2015, Kimberly Genareau et ses collègues ont décrit, dans un article paru dans Geology, des sphérules volcaniques induites par la foudre, ou LIVS. Lorsqu’une décharge traverse un panache, la chaleur du canal fait fondre les particules de cendres voisines, et la tension superficielle rassemble le liquide en minuscules sphères de verre avant qu’elles ne refroidissent. Ces sphérules mesurent en moyenne environ 50 microns de diamètre et sont inférieures à 100 microns, quelle que soit la composition des cendres.
L’équipe les a trouvées dans les retombées de cendres de deux éruptions où la foudre avait été bien documentée, celle du mont Redoubt, en Alaska, en 2009, et celle de l’Eyjafjallajökull, en Islande, en 2010. Cette découverte est importante parce qu’elle permet aux chercheurs de déduire que de la foudre s’est produite lors d’éruptions anciennes où personne n’était là pour observer, simplement en tamisant les dépôts à la recherche de billes de verre.
Où et quand la foudre volcanique se produit
La foudre volcanique n’est pas garantie. Elle favorise les éruptions explosives importantes et riches en cendres. Dans leur base de données mondiale, Stephen McNutt et Earle Williams ont documenté de la foudre sur 80 volcans, au cours de 212 éruptions, et une revue actualisée a porté le décompte à de la foudre « sur 87 volcans associée à 236 éruptions ». L’indice d’explosivité volcanique (VEI) a pu être déterminé pour 177 de ces éruptions, et la tendance était claire. Comme l’ont écrit les auteurs, « huit pour cent des éruptions de VEI = 3–5 ont fait état de foudre, de même que 10 % de celles de VEI = 6, mais moins de 2 % de celles de VEI = 1–2 », une preuve solide que ce sont les éruptions les plus grosses et les plus explosives qui crépitent.
Une étude plus récente a affiné le tableau à l’aide de données mondiales continues. Publiée en 2025 dans Terrestrial, Atmospheric and Oceanic Sciences, elle a combiné les détections du World Wide Lightning Location Network avec les registres d’éruptions du Smithsonian Global Volcanism Program, d’avril 2009 à février 2022. Sur les 490 éruptions réparties sur 170 volcans durant cette période, « 308 éruptions de 131 volcans se sont avérées associées à de la foudre volcanique », soit environ trois éruptions sur cinq dans les archives modernes, bien surveillées.
Le record d’éclairs de Hunga Tonga
L’éruption de Hunga Tonga–Hunga Ha’apai du 15 janvier 2022 est l’épisode de foudre volcanique le plus extrême jamais mesuré, et l’étude qui l’a documenté est celle de Van Eaton et de ses collègues, publiée dans Geophysical Research Letters en 2023. La bouche éruptive sous-marine se trouvait sous la surface de l’océan, assez profond pour que le magma en éruption vaporise instantanément d’énormes volumes d’eau de mer, assez peu profond pour que l’océan n’étouffe pas l’explosion. Le panache s’est élevé à au moins 58 km, jusque dans la mésosphère.
En combinant quatre sources de données sur la foudre jamais utilisées ensemble, l’équipe a dénombré un peu plus de 192 000 éclairs, soit près de 500 000 impulsions électriques individuelles, au cours d’une éruption qui a duré au moins 11 heures, avec un pic à 2 615 éclairs par minute, l’orage électrique le plus intense jamais détecté par les réseaux mondiaux. L’autrice principale, la volcanologue de l’USGS Alexa Van Eaton, l’a qualifié d’« orage survolté, comme nous n’en avons jamais vu ». À titre de comparaison, le deuxième orage électrique le plus intense jamais enregistré, un orage de 1999 sur le sud des États-Unis, a culminé à 993 éclairs par minute.
Deux caractéristiques se sont distinguées. D’abord, certains éclairs ont atteint des altitudes de 20 à 30 km au-dessus du niveau de la mer, la foudre la plus haute jamais mesurée. Ensuite, les éclairs se sont organisés en d’immenses anneaux concentriques centrés sur la bouche éruptive. Ces anneaux d’éclairs se sont étendus vers l’extérieur, le plus grand atteignant un rayon d’environ 140 km, soit une structure d’environ 280 km (environ 175 miles) de diamètre, ce que Van Eaton a décrit comme un « beignet de décharges électriques de 280 kilomètres de diamètre ». L’équipe a montré que les anneaux étaient portés par des ondes de gravité internes se propageant à plus de 80 mètres par seconde dans le nuage en ombrelle, engendrées par l’oscillation, sous l’effet de la flottabilité, du dôme sommital du panache qui dépasse son niveau d’équilibre.
Le contexte sous-marin est la clé. En vaporisant l’eau de mer, l’éruption a injecté une quantité extraordinaire d’eau dans la stratosphère, alimentant la charge par la glace dont se nourrissent les orages ordinaires et la portant à une échelle sans précédent.
Comment les scientifiques utilisent la foudre volcanique pour surveiller les éruptions
Détecter rapidement une éruption explosive est un problème de sécurité, car les nuages de cendres sont mortels pour les réacteurs d’avion et le monde compte bien plus de volcans dangereux que de sismomètres. La détection de la foudre offre un moyen de repérer et de suivre les éruptions presque en temps réel, à des milliers de kilomètres de distance, de jour comme de nuit.
Deux systèmes font l’essentiel du travail. Le World Wide Lightning Location Network (WWLLN), un réseau terrestre de récepteurs radio exploité par une collaboration d’universités, détecte les éclairs les plus puissants partout sur Terre. Depuis l’espace, le Geostationary Lightning Mapper embarqué sur les satellites de la série GOES-R cartographie en continu la foudre totale sur l’hémisphère occidental, avec une résolution spatiale quasi uniforme d’environ 10 km.
Cette approche a fait ses preuves lors de l’éruption du Bogoslof, dans les îles Aléoutiennes, en 2016–2017. Selon Van Eaton et ses collègues, « seuls 32 des 70 événements explosifs ont produit de la foudre détectable », et plus de 4 550 décharges ont été enregistrées en neuf mois par le WWLLN et le GLD360 de Vaisala. Ces détections ont été transmises à l’USGS en quasi-temps réel, première utilisation opérationnelle de la foudre volcanique dans la surveillance des éruptions aux États-Unis. Les travaux de Van Eaton sur Hunga Tonga ont démontré la même chose à plus grande échelle : les données sur la foudre ont permis aux scientifiques de reconstituer des phases de l’éruption que le nuage de cendres opaque avait masquées à la vue des satellites.
Ce sur quoi les scientifiques ne s’accordent toujours pas
Les grandes lignes sont établies, mais des détails importants ne le sont pas. L’équilibre entre la charge par les silicates et la charge par la glace reste débattu, et il semble varier d’une éruption à l’autre. Lors de l’éruption de l’Eyjafjallajökull en 2010, l’analyse de la morphologie des éclairs a suggéré que la charge par les silicates dominait, et certains chercheurs n’ont trouvé aucune preuve convaincante reliant le déclenchement de la foudre aux températures de formation de la glace. Au Bogoslof et au Redoubt, en revanche, l’eau externe, provenant de l’océan et d’un glacier sommital, semble avoir joué un rôle important dans la charge par la glace. Comme l’a dit Sonja Behnke, scientifique de Los Alamos, « il semble important de disposer d’eau externe pour que le mécanisme de charge par la glace fonctionne ».
La quantité de glace nécessaire, et le moment exact où la charge par la glace prend le relais de la charge par les silicates, sont des questions ouvertes. Le résumé honnête est que la charge opère sur un continuum, dominé par les processus liés aux silicates près de la bouche éruptive et par les processus liés à la glace en altitude dans les panaches hauts et humides, le point de bascule dépendant de la quantité d’eau que transporte une éruption donnée.
Questions fréquentes
Qu’est-ce qui provoque la foudre volcanique ?
Des particules chargées dans un panache volcanique. La roche qui se fragmente en cendres éjecte des charges (fractoémission), les particules de cendres qui s’entrechoquent échangent des charges (charge triboélectrique), et, en altitude dans les panaches hauts, les particules de glace se chargent comme dans les orages. La turbulence sépare les charges jusqu’à ce qu’une étincelle jaillisse.
La foudre volcanique est-elle la même que la foudre ordinaire ?
La décharge elle-même relève de la même physique. La différence tient à l’origine de la charge : des cendres et de la roche plutôt que de l’eau et de la glace. La foudre volcanique peut se produire même quand il n’y a pas de glace dans le nuage, ce que la foudre ordinaire ne peut pas faire.
Pourquoi parle-t-on d’« orage sale » ?
Parce que la charge s’accumule dans un nuage plein de cendres volcaniques « sales » plutôt que dans un nuage d’eau propre.
Quelle était l’intensité des éclairs de Hunga Tonga ?
Elle a culminé à 2 615 éclairs par minute et produit plus de 192 000 éclairs, l’orage électrique le plus intense jamais détecté par les réseaux mondiaux, certains éclairs atteignant 20 à 30 km d’altitude.
La foudre volcanique permet-elle de prévoir les éruptions ?
Elle sert à détecter et à suivre les éruptions en cours plutôt qu’à les prévoir à l’avance, en donnant une alerte rapide sur les nuages de cendres qui menacent les avions.
La foudre volcanique laisse-t-elle des traces ?
Oui. Elle fait fondre les cendres en minuscules billes de verre appelées sphérules volcaniques induites par la foudre, que l’on peut retrouver dans les dépôts de retombées de cendres.
Quels volcans produisent le plus d’éclairs ?
Les grosses éruptions explosives riches en cendres, en particulier celles de VEI 3 et plus. Le Sakurajima, le Redoubt, l’Eyjafjallajökull, le Calbuco, le Bogoslof et Hunga Tonga en sont tous des exemples bien documentés.
