Comment le volcan Tonga Hunga a produit les éclairs les plus intenses jamais observés

L'éruption du Hunga Tonga-Hunga Ha'apai a produit l'une des tempêtes de foudre les plus extrêmes jamais observées et a donné aux scientifiques un aperçu unique des secrets du volcan.

Deux petites îles émergent de l'océan Pacifique Sud, leur roche sombre contrastant fortement avec l'eau azur qui les borde. En apparence banales, elles sont pourtant tout ce que l'on peut voir aujourd'hui d'un gigantesque volcan sous-marin. Les îles sont en fait de petits pics sur le bord d'une grande cavité en forme de chaudron qui se trouve au cœur de Hunga Tonga-Hunga Ha'apai.

Le volcan a explosé violemment en janvier 2022, projetant 10 km cubes de roches, de cendres et de sédiments directement dans le ciel, produisant un panache de 58 km de haut. Il s'agit de la plus grande explosion atmosphérique jamais enregistrée par les instruments modernes. L'énorme nuage volcanique a recouvert la région et était si gros qu'il a pu être vu par les astronautes en orbite à bord de la Station spatiale internationale. L'éruption a provoqué un mégatsunami dont les vagues ont atteint 45 mètres de haut, dévastant les îles Tonga et causant des dégâts jusqu'en Russie, à Hawaï, au Pérou et au Chili. Selon les rapports, au moins six personnes ont perdu la vie dans le tsunami, dont deux au Pérou. (En savoir plus sur les dégâts causés par le tsunami).

Mais l'explosion et le tsunami ne sont pas les seuls événements records déclenchés par l'éruption du volcan. Celle-ci a également déclenché la tempête de lumière la plus intense jamais observée.

"C'est une éruption de tous les superlatifs", déclare Alexa Van Eaton, volcanologue à l'United States Geological Survey, qui a dirigé une étude sur l'extraordinaire activité électrique à l'intérieur du nuage de cendres produit par le Hunga Tonga-Hunga Ha'apai. L'orage surchargé a été surveillé depuis l'espace par des satellites, offrant une vue inégalée des éclairs à haute altitude à l'intérieur du panache volcanique. La fureur des éclairs - "comme nous n'en avons jamais vu", déclare M. Van Eaton - offre également de nouvelles informations précieuses sur le volcan lui-même et sur ce qui s'est passé lors de l'éruption. (En savoir plus sur la puissance de l'éruption record).

Un orage record

À son apogée, l'orage déclenché par le panache volcanique au-dessus de Hunga Tonga-Hunga Ha'apai a produit 2 600 éclairs par minute. Près de 200 000 éclairs ont illuminé l'intérieur du nuage de cendres pendant 11 heures. Les éclats lumineux de décharge électrique se sont élevés de 20 à 30 km au-dessus de l'océan, soit presque trois fois plus haut qu'un avion de ligne Boeing 747 en croisière - il s'agit là des éclairs les plus hauts jamais enregistrés.

"Il est tout à fait inhabituel d'avoir des éclairs jusque dans la stratosphère", explique M. Van Eaton.

Les éclairs volcaniques ne sont pas rares. C'est sans doute l'avocat et écrivain romain Pline le Jeune qui en a fait état pour la première fois dans une lettre à un ami. Il décrit les "éclairs en zigzag" qui ont accompagné l'éruption du Vésuve, qui a détruit Pompéi en 79 après J.-C.

Mais la quantité d'éclairs générés par le volcan Hunga a surpris les volcanologues. "C'est plus que ce que nous avons vu partout dans le monde, y compris dans les supercellules", déclare Peter Rowley, volcanologue à l'université de Bristol, au Royaume-Uni. Les supercellules sont une forme sévère d'orage qui s'accompagne d'éclairs intenses, de précipitations extrêmes et même de grêle abondante. En comparaison, les supercellules produisent des dizaines d'éclairs par minute.

L'orage dans le panache volcanique de Hunga Tonga-Hunga Ha'apai était si intense que des antennes radio terrestres situées à des milliers de kilomètres ont capté l'activité.

Les chercheurs pensent que la tempête s'est développée à la suite de l'expulsion très énergique de magma qui a traversé l'océan peu profond. La roche en fusion a vaporisé l'eau de mer, qui s'est élevée dans le panache de cendres et de débris. Plus de 146 millions de tonnes (161 millions de tonnes) de vapeur d'eau ont été projetées dans la stratosphère terrestre par l'éruption, ce qui a augmenté de 10 % la quantité d'eau présente dans la stratosphère en quelques jours seulement. La Nasa a indiqué par la suite que le volume d'eau était suffisant pour remplir l'équivalent de 58 000 piscines olympiques. La vapeur d'eau a même atteint la mésosphère, l'une des couches supérieures de l'atmosphère.

L'interaction entre les cendres volcaniques, les molécules d'eau et les particules de glace dans le panache - qui s'est formé lorsque les gouttelettes d'eau ont été surfondues dans la haute atmosphère - a créé d'importantes charges électriques, produisant les conditions parfaites pour la foudre. (Pour en savoir plus sur la façon dont le panache a atteint la moitié de l'espace).

"Il s'avère que les éruptions volcaniques peuvent créer des éclairs plus intenses que n'importe quel autre type d'orage sur Terre", explique Mme Van Eaton.

Mais ce n'est pas seulement l'intensité des éclairs qui a intrigué Mme Van Eaton et ses collègues.

Des anneaux concentriques d'éclairs, centrés sur le volcan, se sont étendus et contractés dans le panache au fil du temps. "L'ampleur de ces anneaux de foudre nous a époustouflés", explique-t-elle. "Nous n'avions jamais rien vu de tel auparavant, il n'y a rien de comparable dans les tempêtes météorologiques. Des anneaux de foudre uniques ont été observés, mais pas des multiples, et ils sont minuscules en comparaison".

Les chercheurs pensent que les turbulences intenses à haute altitude créées par l'explosion volcanique en sont la cause. La grande quantité de matériaux projetés par l'éruption volcanique a rapidement atteint sa hauteur maximale et s'est étendue vers l'extérieur pour créer un nuage en forme de parapluie de plus de 300 km de large. Sous l'effet de l'impulsion générée par l'éruption, la matière contenue dans le panache a continuellement "débordé" dans la stratosphère, générant des ondulations concentriques en mouvement rapide, appelées ondes de gravité, un peu comme si l'on laissait tomber des cailloux dans un étang. Les éclairs semblaient "surfer" sur ces ondes et s'étendaient vers l'extérieur en formant des anneaux de 250 km de large.

"Le fait que les anneaux de foudre aient été formés par des ondes de gravité se déplaçant dans le nuage, ou du moins associés à ces ondes, nous a vraiment impressionnés", explique M. Van Eaton.

C'est la première fois que des données démontrent comment un puissant panache volcanique peut créer son propre système météorologique, en entretenant les conditions d'une activité électrique à des hauteurs et à des taux jamais observés auparavant.

"Il est possible que lors de très grosses éruptions, ces types d'anneaux de croissance concentriques - ces ondes de gravité de cendres - soient suivis d'éclairs, peut-être plus que nous ne le pensons", déclare M. Rowley, qui n'a pas participé à l'étude de M. Van Eaton. Mais il ajoute que des données supplémentaires sont nécessaires pour en être sûr.

Les éclairs n'ont pas seulement offert un spectacle lumineux impressionnant, ils ont également contribué à révéler de nouveaux détails sur l'éruption Hunga Tonga-Hunga Ha'apai et sa chronologie.

Les données recueillies sur les éclairs à partir d'une combinaison d'images satellites et de données provenant d'antennes radio au sol ont montré que le comportement du volcan pouvait être défini en quatre phases d'activité distinctes. Les taux d'éclairs varient en fonction de la hauteur du panache.

Tout a commencé par un très petit panache, "si petit que personne n'y avait prêté attention", explique M. Van Eaton. Puis, lors de la deuxième phase, le panache a commencé à s'élever à la suite d'une éruption beaucoup plus intense pendant plusieurs heures, éjectant dans l'air une énorme quantité de roches, de cendres et de sédiments, équivalente à la quantité de roches nécessaire pour construire 3 800 fois la Grande Pyramide de Gizeh.

Au cours de la troisième phase, l'éruption s'est poursuivie à une intensité moindre, la hauteur du panache tombant à environ 12-19 miles (20-30 km). "C'est encore extraordinaire", déclare M. Van Eaton. Ensuite, il y a eu une pause intrigante, le volcan semblant faire une pause, explique-t-elle, avant que la quatrième phase ne voie l'éruption diminuer en férocité au fil du temps.

"Le fait de pouvoir déterminer ce dernier souffle de la phase climatique est très utile pour ceux qui doivent prévoir les émissions de cendres et leur transport dans l'atmosphère", explique Mme Van Eaton.

Dans les jours qui ont suivi l'éruption, l'énorme nuage de cendres produit par Hunga Tonga-Hunga Ha'apai a été balayé par les vents jusqu'à près de 3 000 km à l'ouest de l'Australie. Les cendres peuvent affecter l'approvisionnement en eau là où elles tombent et entraver les efforts d'aide.

Les perturbations dues aux cendres volcaniques sont également très coûteuses pour les compagnies aériennes. Par exemple, en 2010, l'éruption du volcan islandais Eyjafjallajökull a coûté au secteur de l'aviation environ 1,1 milliard de livres sterling (1,4 milliard de dollars américains).

Il est actuellement difficile d'obtenir des informations fiables sur les panaches volcaniques au début d'une éruption, en particulier pour les volcans sous-marins éloignés. Mais les données du Hunga Tonga-Hunga Ha'apai pourraient aider les météorologues à surveiller et à prévoir les risques liés au volcanisme explosif pour l'aviation, notamment le développement et le déplacement des nuages de cendres.

Il est essentiel de comprendre ces phénomènes, car les scientifiques affirment qu'une éruption de l'ampleur de celle de Hunga Tonga-Hunga Ha'apai est susceptible de se reproduire. Cette menace stimule la collaboration entre les chercheurs.

David Tappin, expert en tsunamis déclenchés par les volcans au British Geological Survey Keyworth et ancien géologue en chef du Royaume de Tonga, avertit que la nature inattendue de l'éruption du Hunga Tonga-Hunga Ha'apai met en évidence la sous-estimation du risque mondial lié aux éruptions volcaniques de grande ampleur.

Selon M. Tappin, environ 42 volcans dans le monde sont susceptibles d'entrer en éruption de manière aussi spectaculaire que le Hunga Tonga-Hunga Ha'apai. Cette éruption record devrait servir de signal d'alarme et nous inciter à nous préparer à d'autres éruptions, mais nous ne sommes pas du tout préparés aux effets de ces événements, ajoute-t-il.

"Cette éruption a eu des répercussions tellement globales et étendues que nous commençons à réorganiser notre façon de nous parler", ajoute M. Van Eaton. Il y a eu des semaines de panaches plus bas avant que Hunga Tonga-Hunga Ha'apai "ne s'emballe", dit-elle. "Cela montre que même une éruption relativement normale peut changer de cap à tout moment, et il n'y a pas vraiment de moyen facile de le prévoir ou de le prédire.