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\dateposted{2025-06-16}
\begin{document}

\begin{noXML}

\CDRsetmeta{articletype}{research-article}

\title{La face cach\'{e}e des orages}

\alttitle{The hidden face of storms}

\author{\firstname{Serge} \lastname{Soula}\CDRorcid{0000-0001-8294-9831}}
\address{Laero, Universit\'{e} de Toulouse, CNRS, IRD, Toulouse, France}
\email{serge.soula@univ-tlse3.fr}

\keywords{\kwd{Orage} 
\kwd{D\'echarge \'electrique} 
\kwd{Ph\'enom\`ene lumineux transitoire} 
\kwd{\'Eclairs} 
\kwd{Cumulonimbus}}

\altkeywords{\kwd{Thunderstorm} 
\kwd{Electrical discharge} 
\kwd{Transient luminous event} 
\kwd{Lightning flash} 
\kwd{Cumulonimbus}}

\begin{abstract}
Les orages sont associ\'{e}s \`{a} des nuages de fort d\'{e}veloppement
vertical appel\'{e}s cumulonimbus qui abritent des r\'{e}gions
charg\'{e}es \'{e}lectriquement. Ils produisent des \'{e}clairs au sein
du nuage et entre celui-ci et le sol. Au-dessus du nuage, plusieurs
types de d\'{e}charges \'{e}lectriques peuvent se produire et sont
regroup\'{e}s sous le terme TLE, de l'anglais \textit{Transient
Luminous Event} : les \textit{blue starters}, les \textit{blue jets} et les \textit{jets}
g\'{e}ants \'{e}mergent du sommet nuageux et se diff\'erencient par
l'altitude qu'ils atteignent (environ 20 km, 40 km et 90 km,
respectivement), la r\'{e}gion du nuage o\`{u} ils d\'{e}marrent et la
polarit\'{e} de la charge qu'ils transf\`{e}rent ; les
\textit{sprites} (farfadets en fran\c{c}ais) qui se d\'{e}clenchent aux
alentours de 70 km d'altitude au-dessus des r\'{e}gions stratiformes
suite \`{a} un \'{e}clair nuage-sol positif ; les Elves sous la forme
d'un anneau lumineux \`{a} la base de l'ionosph\`{e}re (90 km la
nuit) produites par des puissants \'{e}clairs nuage-sol. Cet article
d\'{e}crit les principales caract\'{e}ristiques et les m\'{e}canismes
de formation de ces TLEs.
\end{abstract}

\begin{altabstract}
Thunderstorms are associated with clouds of strong vertical development
called cumulonimbus which contain electrically charged regions. They
produce lightning flashes within the cloud and between it and the
ground. Above the cloud, several types of electrical discharges can
occur and are grouped under the term TLE, from the English Transient
Luminous Event: blue starters, blue jets and giant jets emerge from the
cloud top and are differentiated by the altitude they reach (around 
20 km, 40 km and 90 km, respectively), the region of the cloud where
they start and the polarity of the charge they transfer; sprites
(farfadet in French) which are triggered at about 70 km altitude above
the stratiform regions following a positive cloud-to-ground flash;
Elves in the form of luminous rings at the base of the ionosphere
(90 km at night) produced by powerful cloud-to-ground lightning. This
article describes the main characteristics and formation mechanisms of
these TLEs.
\end{altabstract}

\maketitle

\end{noXML}

\section{Introduction}

L'orage est un ph\'{e}nom\`{e}ne m\'{e}t\'{e}orologique qui
s'accompagne d'une part d'un nuage sp\'{e}cifique, le cumulonimbus,
d'autre part d'une manifestation \'{e}lectrique bien particuli\`{e}re,
l'\'{e}clair. Le cumulonimbus est un nuage \`{a} fort d\'{e}veloppement
vertical qui se forme dans des conditions de forte instabilit\'{e}
atmosph\'{e}rique \cite{1}. Il atteint la tropopause, voire la
d\'{e}passe avec des excroissances (\textit{overshoot} en anglais), aux
alentours de 12~km d'altitude aux latitudes temp\'{e}r\'{e}es et \`{a}
plus de 15~km dans les r\'{e}gions tropicales. C'est donc un nuage qui
contient une grande diversit\'{e} d'esp\`{e}ces\unskip\break microphysiques liquides
et glac\'{e}es, des courants ascendants et descendants, mais aussi des
charges \'{e}lectriques des deux signes et port\'{e}es par les
hydrom\'{e}t\'{e}ores dans certaines r\'{e}gions du~nuage  
(Figure~\ref{fig1}). Les charges \'{e}lectriques sont notamment le
r\'{e}sultat de collisions entre hydrom\'{e}t\'{e}ores glac\'{e}s, les
cristaux de glace et les particules de graupel ou neige roul\'{e}e par effet
thermo\'{e}lectrique~\cite{3}. Entre les zones charg\'{e}es de
polarit\'{e} diff\'{e}rente, des d\'{e}charges peuvent se former
lorsque la diff\'{e}rence de potentiel est suffisante par rapport au
contexte microphysique pr\'{e}sent. La propagation de la d\'{e}charge
d\'{e}finit ce que l'on appelle l'\'{e}clair, caract\'{e}ris\'{e} par
une succession de processus physiques, des courants, un parcours et une
g\'{e}om\'{e}trie qui permet de les classer en diff\'{e}rentes
cat\'{e}gories~: les \'{e}clairs intranuage qui ne sortent pas du
milieu nuageux, positifs ou n\'{e}gatifs suivant le sens conventionnel
du courant qu'ils portent~; les \'{e}clairs nuage-sol qui connectent le
nuage et le sol, positifs (n\'{e}gatifs) s'ils am\`{e}nent de la charge
positive (n\'{e}gative) au sol. Pour ces derniers, on parle aussi
d'\'{e}clairs descendants (ascendants) si la premi\`{e}re phase
appel\'{e}e traceur part du nuage (du sol) comme dans la grande
majorit\'{e} des cas. Certains \'{e}clairs peuvent aussi \^{e}tre
class\'{e}s comme inter-nuage ou nuage-air s'ils connectent deux nuages
distincts ou s'ils finissent hors du milieu nuageux.


\begin{figure}
\includegraphics{fig01}
\caption{\label{fig1}Structure dynamique et r\'{e}partition de charges dans un
nuage de type cumulonimbus. Tir\'{e} de~\cite{2}.}
\end{figure}


Les orages peuvent avoir diff\'{e}rentes dur\'{e}es, tailles ou
organisations, ce qui se traduit aussi par des activit\'{e}s
\'{e}lectriques sp\'{e}cifiques. La plus petite structure est la
cellule orageuse d'une dizaine de km de diam\`{e}tre et d'une dur\'{e}e
inf\'{e}rieure \`{a} l'heure. Les orages multicellulaires se forment
lorsque les conditions sont plus favorables et se maintiennent sur des
plus grands domaines. La supercellule engendre les ph\'{e}nom\`{e}nes
les plus violents tels que la grosse gr\^{e}le et les tornades. Les
ph\'{e}nom\`{e}nes convectifs de m\'{e}so-\'{e}chelle, comme les lignes
de grain, ont des dur\'{e}es de vie de plusieurs heures et peuvent
parcourir des distances de plusieurs centaines de kilom\`{e}tres.
L'identification de certains ph\'{e}nom\`{e}nes ou formes
caract\'{e}ristiques, comme les \textit{bow echos} ou les structures en
V, peut fournir une classification plus d\'{e}taill\'{e}e des orages. 

Les manifestations \'{e}voqu\'{e}es, qu'elles soient \'{e}lectriques,
dynamiques ou microphysiques sont visibles depuis le sol ou
d\'{e}tectables avec des instruments adapt\'{e}s comme les radars
m\'{e}t\'{e}orologiques ou les capteurs d'\'{e}clairs. L'orage
interagit aussi \'{e}lectriquement avec les couches de l'atmosph\`{e}re
au-dessus de lui. Il participe notamment au circuit global entre la
Terre et l'ionosph\`{e}re avec une contribution qui am\`{e}ne au sol de
la charge n\'{e}gative. Ce qui se passe au-dessus du nuage d'orage sur
le plan des d\'{e}charges \'{e}lectriques est rest\'{e} longtemps un
myst\`{e}re et est devenu un sujet d'\'{e}tude pour les
\'{e}lectriciens de l'atmosph\`{e}re depuis quelques d\'{e}cennies. Ces
aspects sont d\'{e}velopp\'{e}s dans l'article.



\section{Les ph\'{e}nom\`{e}nes lumineux transitoires}

\subsection{Un peu d'histoire}

Les premi\`{e}res observations de ph\'{e}nom\`{e}nes lumineux au-dessus
des nuages sont \'{e}voqu\'{e}es sous des formes imag\'{e}es dans la
litt\'{e}rature d\`{e}s la fin du XIX$^{\mathrm{e}}$ si\`{e}cle, puis
plus tard dans les ann\'{e}es 60 par des noms c\'{e}l\`{e}bres de la
discipline dans les ouvrages g\'{e}n\'{e}raux d'\'{e}lectricit\'{e}
atmosph\'{e}rique~\cite{4}. Vonnegut~\cite{5} parlait aussi de ces
\'{e}clairs inhabituels. Plus r\'{e}cemment, Vaughan et
Vonnegut~\cite{6} ont r\'{e}alis\'{e} une compilation de
t\'{e}moignages potentiellement cr\'{e}dibles sur des observations de
d\'{e}charges lumineuses \'{e}mergeant du sommet du nuage d'orage. Les
15 t\'{e}moignages par des pilotes ou anciens pilotes recens\'{e}s
situent la plupart des observations dans les ann\'{e}es 60 \`{a} 80 et
parlent d'\'{e}clairs se terminant dans l'air \`{a} plusieurs
kilom\`{e}tres au-dessus du nuage. Certains orages pouvaient produire
plusieurs d\'{e}charges ascendantes au cours de leur cycle de vie. Les
pilotes d'avion n'insistaient pas trop sur ces manifestations visuelles
\'{e}ph\'{e}m\`{e}res qui n'\'{e}taient pas faciles \`{a} d\'{e}crire
et pouvaient susciter des doutes sur leur acuit\'{e} visuelle,
pr\'{e}f\'{e}rant diff\'{e}rer les t\'{e}moignages par rapport aux
observations. Dans tous les cas, les observations ne s'appuyaient pas
sur des images associ\'{e}es.

Le 6 juillet 1989 va marquer le d\'{e}but d'une longue s\'{e}rie
d'observations de ces ph\'{e}nom\`{e}nes lumineux que l'on va appeler
plus tard les TLEs de l'expression \textit{Transient Luminous Events}.
En effet, au cours de la nuit, une \'{e}quipe de l'universit\'{e} du
Minnesota conduite par le Professeur Winckler, testait une cam\'{e}ra
vid\'{e}o noir et blanc tr\`{e}s sensible pr\'{e}vue pour des prises de
vue d'un sondage par fus\'{e}e, en observant des \'{e}toiles dans un
ciel clair. L'analyse des images obtenues r\'{e}v\'{e}lait un
enregistrement singulier sous la forme d'un ph\'{e}nom\`{e}ne lumineux
double de tr\`{e}s faible dur\'{e}e (moins de 30~ms). Il avait
\'{e}t\'{e} produit au-dessus d'un orage lointain de type
\textit{Mesoscale Convective System} (MCS) dans le Minnesota \`{a} une
distance d'environ 250~km au nord du site d'observation~\cite{7}. La
Figure~\ref{fig2} montre le clich\'{e} de cette observation. 


\begin{figure}
\includegraphics{fig02}
\caption{\label{fig2}Premi\`{e}re image d'une d\'{e}charge lumineuse obtenue avec
une cam\'{e}ra TV sensible dans la nuit du 5 au 6 juillet 1989
au-dessus d'un orage dans le nord-ouest du Lac Sup\'{e}rieur au nord
des \'{E}tats-Unis. Tir\'{e} de~\cite{7}.}
\vspace*{1pc}
\end{figure}


Cette observation venait valider la th\'{e}orie du physicien
\'{e}cossais    Wilson, prix Nobel de Physique en 1927 pour la
mise au point de la chambre de condensation, ou chambre de Wilson, qui
permet la visualisation des trajectoires de particules ionisantes. En
effet, il avait sugg\'{e}r\'{e} l'existence de d\'{e}charges
\'{e}lectriques \`{a} des altitudes \'{e}lev\'{e}es au-dessus des
orages, gr\^{a}ce au champ \'{e}lectrique produit juste apr\`{e}s un
\'{e}clair nuage-sol qui neutralise suffisamment de charge dans le
nuage d'orage. Comme le montre la Figure~\ref{fig3}, le champ
\'{e}lectrique produit par le nuage apr\`{e}s l'\'{e}clair \`{a} une
altitude de l'ordre de 70~km pourrait d\'{e}passer le champ seuil de
d\'{e}clenchement d'une d\'{e}charge (champ disruptif) qui est
proportionnel \`{a} la densit\'{e} de l'air. Wilson avait m\^{e}me
d\'{e}clar\'{e} qu'il aurait aper\c{c}u ce genre de \guillemotleft{}~flash~\guillemotright{} diffus, en
forme d'\guillemotleft{}~\'{e}ventail~\guillemotright{} et de couleur verd\^{a}tre au-dessus d'orages
assez \'{e}loign\'{e}s pour \^{e}tre sous l'horizon~\cite{9}. Une
d\'{e}charge d\'{e}clench\'{e}e \`{a} cette altitude pourrait ensuite
se propager dans des champs \'{e}lectriques ambiants plus faibles,
comme tout type de d\'{e}charge atmosph\'{e}rique incluant bien s\^{u}r
les \'{e}clairs que ce soit au sein du nuage ou \`{a} l'ext\'{e}rieur.

\begin{figure}
\includegraphics{fig03}
\caption{\label{fig3}Allure des profils verticaux des
champs \'{e}lectriques~: $E$
produit par une charge $Q$ plac\'{e}e \`{a} 10~km d'altitude et
$E_{k}$ n\'{e}cessaire \`{a} une d\'{e}charge
\'{e}lectrique~\cite{8}. \`{A} une certaine altitude (ici entre 70 et
75~km), le champ produit par le nuage peut \^{e}tre suffisant pour
produire une ajouter adapt\'e de~\cite{8}.}
\end{figure}

\subsection{Les premi\`{e}res campagnes d'observations et la
classification des TLEs}

Suite \`{a} la premi\`{e}re observation, les ann\'{e}es 90 allaient
voir le d\'{e}veloppement d'exp\'{e}riences pour tenter d'en
reproduire, notamment depuis la navette spatiale. Rapidement, de
nouvelles manifestations lumineuses \'{e}taient identifi\'{e}es avec
des cam\'{e}ras embarqu\'{e}es. Ce fut le cas avec des intensifications
lumineuses diffuses successives \`{a} des \'{e}clairs (rapport\'{e}
dans~\cite{10}), sous la forme d'anneaux lumineux (100--300~km) \`{a}
la base de l'ionosph\`{e}re, formellement identifi\'{e}es plus tard
\`{a} partir des observations de campagnes am\'{e}ricaines et
nomm\'{e}es Elves, comme \textit{Emission of Light and
Very low frequency perturbations due to Electromagnetic
pulse Sources}~\cite{11}. Vaughan \etal~\cite{12} publiait
dans la rubrique la photo du mois du journal \textit{Monthly Weather
Review} une image d'\'{e}clair nuage-air photographi\'{e}e le 28 avril
1990 par une cam\'{e}ra sur une navette am\'{e}ricaine alors qu'elle
volait au-dessus de la Mauritanie. Le 7 juillet 1993, pas moins de 250
\'{e}v\'{e}nements lumineux \'{e}taient enregistr\'{e}s en quelques
heures, produits au-dessus d'un MCS dans
le Kansas \`{a} quelque 400~km du site d'observation au sol dans le
Colorado~\cite{9}. De m\^{e}me, un avion DC-8 de la NASA
\'{e}quip\'{e} d'une cam\'{e}ra plein ciel allait faire des
observations du m\^{e}me type~\cite{13}. Ces \guillemotleft{}~\'{e}clairs~\guillemotright{}
visibles au-dessus des orages reproduisant la premi\`{e}re observation
publi\'{e}e dans~\cite{7}, allaient \^{e}tre baptis\'{e}s
\guillemotleft{}~sprites~\guillemotright{} par Dave Sentman, du nom des esprits fugitifs
\'{e}voqu\'{e}s par William Shakespeare dans ses pi\`{e}ces. En
fran\c{c}ais, la traduction est farfadet. Un peu plus tard, les sprites
\'{e}taient photographi\'{e}s en couleur, ce qui faisait ressortir
nettement leur couleur dominante dans le rouge~\cite{14}. Les
campagnes d'observation se succ\'{e}daient au cours des ann\'{e}es 90,
essentiellement aux \'{E}tats-Unis, et un nouveau ph\'{e}nom\`{e}ne
inattendu allait venir enrichir la famille en construction, les \textit{blue
jets}~\cite{15}. Au cours de la m\^{e}me campagne d'observation,
d'autres types de d\'{e}charges avec des points communs aux \textit{blue jets}
\'{e}taient identifi\'{e}s, c'\'{e}tait les \textit{blue starters}~\cite{16}. 


La fin des ann\'{e}es 90 \'{e}tait marqu\'{e}e par les premi\`{e}res
observations sur d'autres continents, notamment au Japon avec des
orages en hiver~\cite{11},~en Australie~\cite{17} et en
Europe~\cite{18,19}. Des travaux th\'{e}oriques \`{a} la fin des
ann\'{e}es 90, montraient par des mod\`{e}les, les m\'{e}canismes
impliqu\'{e}s dans ces d\'{e}charges d'altitude~\cite{20}. Le
d\'{e}but des ann\'{e}es 2000 a \'{e}t\'{e} marqu\'{e} par de nombreux
projets et des d\'{e}veloppements instrumentaux qui allaient analyser
plus en d\'{e}tail la structure et le d\'{e}veloppement des TLEs,
notamment par l'utilisation de cam\'{e}ras rapides ou
t\'{e}lescopiques~\cite{21}. Au tout d\'{e}but des ann\'{e}es 2000,
un nouveau type de TLE allait \^{e}tre d\'{e}couvert au cours de
campagnes d'observation, le \textit{jet} g\'{e}ant qui est sans doute le plus
spectaculaire~\cite{22}. 


La Figure~\ref{fig4} sch\'{e}matise l'ensemble des TLEs en montrant leur aspect,
leur d\'{e}veloppement vertical et leur localisation par rapport \`{a}
l'orage de type MCS dans ce cas. On y
retrouve les sprites au-dessus de la partie stratiforme du syst\`{e}me
orageux avec deux cas, l'un de type colonne d'aspect filamenteux et
l'autre de type carotte d'aspect plus massif, avec une altitude de
d\'{e}clenchement d'environ 70~km, un d\'{e}veloppement vertical de
plusieurs dizaines de km et la pr\'{e}sence d'un halo qui peut
accompagner ou non le sprite. Le halo peut aussi appara\^{i}tre seul
comme nous le verrons plus tard. L'Elve est repr\'{e}sent\'{e}e avec
une extension horizontale de plusieurs centaines de km et une altitude
correspondant \`{a} la base de l'ionosph\`{e}re \`{a} 90~km environ la
nuit. Les \textit{blue jets} et les \textit{jets} g\'{e}ants sont associ\'{e}s \`{a} la
r\'{e}gion convective de l'orage et atteignent des altitudes
respectives d'environ 30 \`{a} 40~km et 90~km. Il est \`{a} noter que
d'autres membres de la famille des TLEs ne figurent pas dans cette
repr\'{e}sentation, comme les \textit{blue starters}, les \textit{pixies}, ou encore les
\textit{trolls}, qui eux n'atteignent que des altitudes de quelques km au-dessus
du nuage. Les \'{e}clairs \'{e}mergeant du sommet du nuage ne sont pas
class\'{e}s comme des TLEs et atteignent des altitudes plus faibles que
les \textit{jets} bleus ou les \textit{blue starters}.

\begin{figure}
\includegraphics{fig04}
\caption{\label{fig4}Repr\'{e}sentation sch\'{e}matique des principaux TLEs dans
leur environnement\unskip\break au-dessus d'un orage.}
\vspace*{7pt}
\end{figure}

\section{Les principaux TLEs}

\subsection{Les sprites}


Les formes g\'{e}n\'{e}rales de ce TLE sont diverses et ont permis
d'\'{e}tablir une classification propre bas\'{e}e sur des ressemblances
avec des formes connues (par\'{e}idolie). Ainsi, B\'{o}r~\cite{23}
montre une classification comprenant des colonnes, des carottes, des
anges, des arbres, des \guillemotleft{}~wishbones~\guillemotright{} et des m\'{e}duses \`{a} partir
de 489 \'{e}v\'{e}nements observ\'{e}s en Europe Centrale entre 2007 et
2009. De plus, chaque \'{e}v\'{e}nement peut pr\'{e}senter des
structures multiples d'\'{e}l\'{e}ments sous forme de filaments, de
corps lumineux, de lueurs diffuses (\textit{glows} en anglais), de
perles et peut se d\'{e}velopper par br\`{e}ves s\'{e}quences
s\'{e}par\'{e}es dans le temps et dans l'espace pour constituer le
\guillemotleft{}~dancing sprite~\guillemotright{}. La Figure~\ref{fig5} montre un exemple de ces structures
avec un sprite de grande taille et particuli\`{e}rement lumineux
observ\'{e} au-dessus d'un orage dans le golfe du Lion en septembre
2009 \`{a} environ 350~km avec une cam\'{e}ra au pic du Midi de
Bigorre. Dans ce cas, les deux images de 20~ms d'exposition
correspondent \`{a} la premi\`{e}re et la derni\`{e}re de
l'\'{e}v\'{e}nement qui s'\'{e}tale sur environ 300~ms
simultan\'{e}ment \`{a} un \'{e}clair nuage-sol positif~\cite{24}.
Cet \'{e}clair a produit deux impacts positifs au sol s\'{e}par\'{e}s
d'environ 30~km sous la r\'{e}gion stratiforme d'un orage de type MCS.
En effet, les sprites se r\'{e}v\`{e}lent \^{e}tre intimement li\'{e}s
aux \'{e}clairs nuage-sol positifs~\cite{25} m\^{e}me si tr\`{e}s
rarement ils peuvent \^{e}tre associ\'{e}s \`{a} un \'{e}clair
nuage-sol n\'{e}gatif~\cite{26} ou \`{a} un \'{e}clair
intranuage~\cite{27}.


\begin{figure}
\includegraphics{fig05}
\caption{\label{fig5}Deux images de 20~ms tir\'{e}es de la vid\'{e}o d'un cas de
sprite de grande taille et tr\`{e}s lumineux enregistr\'{e}e au cours
de la nuit du 1$^{\mathrm{er}}$ au 2 septembre 2009. \`{A} droite,
r\'{e}flectivit\'{e} radar dans l'orage avec la position des arcs
positifs (triangles) associ\'{e}s au sprite et les azimuts de direction
(d\tsub{1}, d\tsub{3} et d\tsub{4}) depuis
la cam\'{e}ra au pic du Midi. Adapt\'{e} de~\cite{24}.}
\end{figure}


Du point de vue de la physique de la d\'{e}charge, c'est le type
streamer qui est impliqu\'{e}, de polarit\'{e} positive et de
propagation vers le bas dans sa premi\`{e}re phase c'est-\`{a}-dire
correspondant \`{a} une charge positive qui descend. L'\'{e}mission de
lumi\`{e}re dominante rouge correspond \`{a} des transitions dans la
premi\`{e}re bande positive de la mol\'{e}cule d'azote
(N\tsub{2}), principal constituant de l'air dans les 100
premiers kilom\`{e}tres~\cite{28}. La Figure~\ref{fig6} montre un cas de
sprite d'une dur\'{e}e de quelques dizaines de ms en noir et blanc et
en couleurs r\'{e}elles.


\begin{figure}
\includegraphics{fig06}
\caption{\label{fig6}Deux images du m\^{e}me sprite~vu sous deux angles
l\'{e}g\`{e}rement diff\'{e}rents le 8 novembre 2024 dans le sud de la
France : \`{a} gauche image extraite d'une vid\'{e}o enregistr\'{e}e
\`{a} 100 images/seconde par Emmanuel Leclerc \`{a} 130~km de l'orage,
\`{a} droite photo en pose par Nicolas Escurat \`{a} 300~km de
l'orage.}
\end{figure}

Le d\'{e}clenchement d'un sprite pendant un \'{e}clair r\'{e}pond \`{a}
des conditions sp\'{e}cifiques de champ \'{e}lectrique quasi statique
\`{a} une altitude d'environ 70~km, qui peuvent \^{e}tre atteintes
lorsque l'\'{e}clair neutralise suffisamment de charge dans le
nuage~\cite{20}. De ce fait, le param\`{e}tre de l'\'{e}clair le plus
pertinent pour \'{e}tablir un crit\`{e}re de d\'{e}clenchement est le
changement de moment de charge (CMC) produit de la charge
\'{e}coul\'{e}e par la longueur du canal de l'\'{e}clair~\cite{29}. Ce
sont donc les \'{e}clairs nuage-sol neutralisant une charge d'un seul
signe et localis\'{e}e vers le sommet du nuage (le plus souvent
positive) qui ont le plus d'impact sur la variation du champ
\'{e}lectrique au-dessus du nuage. La Figure~\ref{fig7} sch\'{e}matise
la chronologie typique des processus qui conduisent \`{a} la production
du sprite.

\begin{figure}
\includegraphics{fig07}
{\vspace*{-2pt}}
\caption{\label{fig7}Illustration du m\'{e}canisme de p\'{e}n\'{e}tration d'un
grand champ quasi-\'{e}lectrostatique (not\'e E)
cr\'{e}\'{e} par le nuage dans la
m\'{e}sosph\`{e}re apr\`{e}s un \'{e}clair nuage-sol positif,
conduisant au chauffage des \'{e}lectrons, au d\'{e}marrage de
l'ionisation et \`{a} la production d'\'{e}mission lumineuse. Tir\'{e}
de~\cite{20}.}
{\vspace*{3pt}}
\end{figure}



\subsection{Les Elves}

Les Elves sont des \'{e}missions optiques dans la r\'{e}gion D de
l'ionosph\`{e}re~\cite{30} en forme d'anneaux de quelques centaines de
kilom\`{e}tres de diam\`{e}tre, centr\'{e}s au-dessus des \'{e}clairs
nuage-sol qui produisent de tr\`{e}s fortes impulsions
\'{e}lectromagn\'{e}tiques (EMP) (Figures~\ref{fig8} et \ref{fig9}).
Elles sont dues \`{a} l'excitation des premi\`{e}re et deuxi\`{e}me
bandes positives de la mol\'{e}cule d'azote par des \'{e}lectrons
libres acc\'{e}l\'{e}r\'{e}s par la forte impulsion EMP~\cite{30,31}.
Des mod\`{e}les ont reproduit avec succ\`{e}s des aspects tels que la
forme, la vitesse d'expansion, ainsi que l'emplacement et
l'intensit\'{e} des \'{e}missions optiques des Elves en r\'{e}ponse
\`{a} l'impulsion de l'\'{e}clair et aux profils verticaux de
densit\'{e} \'{e}lectronique et d'esp\`{e}ces neutres (par
exemple~\cite{31}). Ces auteurs ont calcul\'{e} le champ \'{e}lectrique
produit par des impulsions \'{e}lectromagn\'{e}tiques en simulant les
\'{e}clairs comme des canaux verticaux ou horizontaux. La Figure~\ref{fig10}
montre les r\'{e}sultats dans les deux cas de figure et en fonction du
temps, un champ \'{e}lectrique rayonn\'{e} de 20~V${\cdot}$m$^{-1}$ \`{a}
100~km de la d\'{e}charge verticale au sol (not\'{e} $E_{100}$ dans la
litt\'{e}rature) qui correspond \`{a} un pic de courant de 56 kA pour
un \'{e}clair nuage-sol (figures de gauche) et un champ $E_{100}$ de
7~V${\cdot}$m$^{-1}$ pour une d\'{e}charge horizontale (figures de droite).


\begin{figure}
\includegraphics{fig08}
{\vspace*{-2pt}}
\caption{\label{fig8}Image d'une Elve enregistr\'{e}e avec une cam\'{e}ra sensible
au Pic du Midi le 22 f\'{e}vrier 2012.}
{\vspace*{3pt}}
\end{figure}

\begin{figure}
\includegraphics{fig09}
{\vspace*{-2pt}}
\caption{\label{fig9}Sch\'{e}ma pour illustrer la formation d'une Elve (zone rouge)
au-dessus de l'orage produite par une \'{e}clair nuage-sol (CG) de
forte puissance. Le centre de l'anneau lumineux s'explique par le peu
de puissance rayonn\'{e}e \`{a} la verticale de l'\'{e}clair,
c'est-\`{a}-dire dans l'axe longitudinal du canal de
l'\'{e}clair.}
\end{figure}

\begin{figure}
\includegraphics{fig10}
\caption{\label{fig10}Amplitude du champ \'{e}lectrique des impulsions
\'{e}lectromagn\'{e}tiques (EMP) simul\'{e}es suite \`{a} une
d\'{e}charge verticale (\`{a} gauche) et horizontale (\`{a} droite).
Tir\'{e} de~\cite{31}.}
\end{figure}


\subsection{Les {jets} g\'{e}ants}

Ce sont les TLEs qui ont la plus grande extension verticale puisqu'ils
d\'{e}marrent du nuage et atteignent la base de l'ionosph\`{e}re \`{a}
environ 90~km la nuit. Ils sont aussi les plus rarement observ\'{e}s et
les premi\`{e}res vid\'{e}os montraient que le ph\'{e}nom\`{e}ne
pouvait \^{e}tre d\'{e}compos\'{e} en 2 phases~: le 
\textit{leading jet}
(LJ par la suite) qui dans un premier temps trace le parcours de la
d\'{e}charge avec des branches plus ou moins d\'{e}velopp\'{e}es vers
le haut et le \textit{trailing jet} (TJ par la suite) qui appara\^{i}t
comme une d\'{e}charge secondaire plus lumineuse mais moins
d\'{e}velopp\'{e}e verticalement~\cite{22}. La Figure~\ref{fig11} montre cinq
cas de \textit{jets} g\'{e}ants observ\'{e}s \`{a} une distance d'environ 50~km
de l'orage depuis l'\^{i}le de la R\'{e}union le 7 mars
2009~\cite{32}. 

\begin{figure}
\includegraphics{fig11}
\vspace*{4pt}
\caption{\label{fig11}Images tir\'{e}es des vid\'{e}os montrant cinq 
\textit{jets} g\'{e}ants
dans leur d\'{e}veloppement vertical complet et observ\'{e}s \`{a} une
distance d'environ 50~km. Tir\'{e} de~\cite{32}.}
\vspace*{6pt}
\end{figure}

Les d\'{e}tections de radiations \'{e}lectromagn\'{e}tiques \`{a}
extr\^{e}mement basse fr\'{e}quence (ULF-ELF) associ\'{e}es \`{a} ces
\textit{jets} g\'{e}ants ont permis de d\'{e}terminer que la charge
transport\'{e}e vers le haut est n\'{e}gative~\cite{33}. La
quantit\'{e} de charge \'{e}coul\'{e}e peut \^{e}tre importante car le
processus de d\'{e}charge peut durer plusieurs centaines de
millisecondes, notamment pendant le phase \textit{trailing jet}. Le cas
illustr\'{e} par la Figure~\ref{fig12}a correspond \`{a} un \textit{jet}
g\'{e}ant observ\'{e} le 21 juillet 2008 au-dessus de la temp\^{e}te
tropicale \textit{Cristobal} dans l'est des \'{E}tats-Unis \`{a} une
distance d'environ 350~km. La premi\`{e}re phase du \textit{jet} engendrait un
moment de courant maximum de 55 kA km et, en l'int\'{e}grant sur la
dur\'{e}e du \textit{jet}, les auteurs ont estim\'{e} un CMC colossal de 10~800
C km, bien sup\'{e}rieur aux valeurs trouv\'{e}es jusque-l\`{a}, ce qui
leur permettait d'estimer la charge transf\'{e}r\'{e}e autour de 144 C.
Un \'{e}clair nuage-sol ne peut neutraliser de telles charges que s'il
a une forte composante continue, ce qui est le cas de certains
\'{e}clairs nuage-sol positifs~\cite{34}. Dans le cas de la
Figure~\ref{fig12}b pour un \textit{jet} tr\`{e}s lumineux observ\'{e} le 12
f\'{e}vrier 2020 depuis l'\^{i}le de la R\'{e}union \`{a} 460~km de
distance, la valeur du moment de courant est bien plus importante \`{a}
pr\`{e}s de 300 kA km~\cite{35}. Toutefois, la variation du moment de
charge estim\'{e}e en int\'{e}grant le moment de courant est de l'ordre
de 5~800 C km. Le cas de la Figure~\ref{fig12}c produit un moment de
courant plus faible. On voit que la luminosit\'{e} du ph\'{e}nom\`{e}ne
est li\'{e}e au moment de courant produit.

\begin{figure}
\includegraphics{fig12}
\vspace*{4pt}
\caption{\label{fig12}Images vid\'{e}o successives de \textit{jets} g\'{e}ants
avec les \'{e}volutions du moment de courant (courbe noire) et du
moment de charge (courbe grise) correspondantes~: (a) Cas tir\'{e}
de~\cite{33} o\`{u} les images prises apr\`{e}s le maximum sont des
moyennes de deux ou quatre champs vid\'{e}o individuels, comme
indiqu\'{e} par la fen\^{e}tre temporelle de chacun ; (b) et (c) deux cas
tir\'{e}s de~\cite{35} o\`{u} les \textit{jets} g\'{e}ants sont film\'{e}s
\`{a} environ 460~km.}
\vspace*{4pt}
\end{figure}

Les photographies en couleur de \textit{jets} g\'{e}ants (Figure~\ref{fig13})
montrent un \'{e}tagement de couleurs qui correspondent \`{a}
diff\'{e}rents processus de production~: la partie inf\'{e}rieure au
sommet du nuage pr\'{e}sente des similitudes avec l'apparence d'un
canal d'\'{e}clair classique \`{a} haute temp\'{e}rature \'{e}mettant
de la lumi\`{e}re blanche~; la partie interm\'{e}diaire se situe dans
le bleu correspondant \`{a} des \'{e}missions dominantes de la
mol\'{e}cule d'azote sous l'impact de particules
acc\'{e}l\'{e}r\'{e}es~; dans la partie sup\'{e}rieure le rouge
d'autres transitions de la mol\'{e}cule d'azote domine. Les
\'{e}missions les plus intenses sont \'{e}mises pendant la phase
\textit{trailing jet} qui est celle qui dure le plus. Le \textit{jet} g\'{e}ant
d\'{e}marre dans le nuage charg\'{e} entre la charge n\'{e}gative
centrale et la charge positive sup\'{e}rieure comme un \'{e}clair
intranuage positif. La condition pour qu'il \'{e}merge du sommet du
nuage semble \^{e}tre un d\'{e}s\'{e}quilibre entre ces deux zones de
charge au profit de la n\'{e}gative~\cite{36}.

\begin{figure}
\includegraphics{fig13}
\caption{\label{fig13}Deux photos de \textit{jets} g\'{e}ants~: \`{a} gauche en Chine le 13
ao\^{u}t 2016, {\textcopyright} Phebe Pan~; \`{a} droite le 7 mars 2009
\`{a} l'\^{i}le de la R\'{e}union, {\textcopyright} Patrice
Huet.}
\end{figure}


\subsection{Les blue jets et les blue starters}

Les ph\'{e}nom\`{e}nes de \textit{blue jets} et \textit{blue starters} ont un point
commun avec les \textit{jets} g\'{e}ants dans la mesure o\`{u} ils \'{e}mergent
du sommet du nuage, jusqu'\`{a} des altitudes de 40~km environ pour le
premier et 25~km environ pour le deuxi\`{e}me~\cite{15,16,37}, mais ils
ne viennent pas de la m\^{e}me r\'{e}gion du nuage car ils transportent
de la charge positive vers le haut. Les \textit{blue jets} se pr\'{e}sentent
comme d'\'{e}troits c\^{o}nes de lumi\`{e}re bleue 
(Figure~\ref{fig14}). Leurs vitesses apparentes sont comprises entre
10 et 100~km/s. La mod\'{e}lisation indique que les \textit{blue jets}
se produisent \`{a} la suite d'un d\'{e}s\'{e}quilibre entre la charge
sup\'{e}rieure du nuage (positive) et la charge \'{e}cran au-dessus
(n\'{e}gative) attir\'{e}e vers le sommet du nuage~\cite{36} Les \textit{blue
starters} ne correspondent pas \`{a} des phases initiales de
\textit{blue jets}. L'observation d'un \textit{blue starter} photographi\'{e}
au-dessus d'un orage dans le centre-ouest du Nouveau-Mexique (USA) a
fait l'objet d'un article~\cite{38}. Il a \'{e}t\'{e} conclu qu'il
s'initiait aussi entre la charge positive sup\'{e}rieure du nuage et
une couche de charge n\'{e}gative \`{a} son sommet, se propageant sous
forme de d\'{e}charge bidirectionnelle avec davantage de sources VHF
\'{e}mises dans la partie descendante tout au long de la charge
positive, ce qui sugg\`{e}re un leader n\'{e}gatif, tandis que le
leader ascendant \'{e}tait un faible \'{e}metteur de sources VHF et
donc positif.



\begin{figure}
\includegraphics{fig14}
\caption{\label{fig14}Illustration d'un \textit{blue jet} photographi\'{e} au-dessus d'un
orage depuis l'\^{i}le de la R\'{e}union par Patrice Huet en mars 1997.}
\end{figure}


\section{Conclusion}

La recherche dans les derni\`{e}res d\'{e}cennies sur les TLEs nous a
r\'{e}v\'{e}l\'{e} un pan de la physique de l'orage qui avait
\'{e}t\'{e} \'{e}voqu\'{e} dans plusieurs travaux th\'{e}oriques mais
qui souffrait d'un manque de donn\'{e}es exp\'{e}rimentales. Les
campagnes d'observations et les stations \'{e}quip\'{e}es d'instruments
ont montr\'{e} que ces ph\'{e}nom\`{e}nes \'{e}taient fr\'{e}quents et
pr\'{e}sents dans plusieurs r\'{e}gions de la Terre. La classification
principale distingue les sprites qui sont g\'{e}n\'{e}ralement
associ\'{e}s aux \'{e}clairs nuage-sol positifs dans les r\'{e}gions
stratiformes des orages, les Elves produits par des \'{e}clairs
nuage-sol des deux signes pr\`{e}s de la r\'{e}gion convective, les
\textit{jets} g\'{e}ants plus rares et g\'{e}n\'{e}r\'{e}s le plus souvent par
des orages en zone tropicale, les \textit{blue jets} et les 
\textit{blue starters} qui se
distinguent par l'altitude qu'ils atteignent.

Ces d\'{e}charges contribuent au circuit \'{e}lectrique global
c'est-\`{a}-dire aux mouvements de charge dans le syst\`{e}me Terre. Ce
sont des mouvements li\'{e}s \`{a} des d\'{e}charges et donc \`{a} des
mouvements rapides qui mettent en jeu des forts courants avec un impact
sur leur environnement direct sur les plans de la chimie et du bilan
d'\'{e}nergie. L'observation de ces ph\'{e}nom\`{e}nes, notamment
depuis l'espace avec la station spatiale internationale (ISS),
\'{e}largit notre connaissance des orages et pose un regard nouveau sur
les manifestations \'{e}lectriques au sommet du nuage d'orage. Des
observations r\'{e}centes montrent une activit\'{e} sp\'{e}cifique au
sommet des orages fortement actifs, qui se traduit par des
d\'{e}charges tr\`{e}s locales. D'autres observations montrent que
l'orage produit des rayonnements de tr\`{e}s grande \'{e}nergie et des
acc\'{e}l\'{e}rations de particules dignes de celles des grands
instruments vou\'{e}s \`{a} cela.

\section*{D\'eclaration d'int\'er\^{e}ts}
L'auteur ne travaille pas, ne conseille pas, ne poss\`ede pas de parts,
ne re\c{c}oit pas de fonds d'une organisation qui pourrait tirer
profit de cet article, et n'a d\'eclar\'e aucune autre affiliation que
son organisme de recherche.

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\end{document}
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