Localization and quantification of the acoustical power of lightning flashes
Localisation et quantification de la puissance acoustique des éclairs d'orages
Résumé
The acoustic study of thunderstorm lightning is part of the research effort to improve global understanding of the atmosphere. Indeed, thunderstorms are strongly associated with its most extreme disturbances.Acoustic waves are an effective tool for characterizing the geometry of lightning close to the ground and inside the cloud, while also reporting on the structure of the electrical charges within it, in a way that complements electromagnetic detection methods. Furthermore, the spectral content and energy of thunder are highly variable, and are only partially described by existing source models. These theoretical discussions have been fuelled by laboratory and field measurements since the 1960s. Certain central parameters, such as the energy of the discharge, its acoustic conversion rate and its variability, are still poorly understood. In particular, the total acoustical power of a lightning flash has so far only been measured in a very approximate way.This thesis proposes an improvement in the characterization of the acoustic power of thunderstorm lightning, by combining the contributions of low-frequency acoustic reconstruction with a finer correction of propagation effects. This adds an additional physical dimension to 3D geometry: the distribution of acoustical power. Using field data collected during the HyMeX project, we are developing a method for assessing sound power from detections made by cross-correlating signals from an array of microphones. We show that total acoustical power and its distribution within the 3D geometry are highly variable. Part of this variability seems to be significantly explained by the electrical parameters of the discharge and the charge structure of the cloud. In future, improved experimental validation of acoustic propagation conditions will be needed to characterize source measurements more accurately, as those we have carried out present several unexpected contradictions with existing thunder models.
L'étude acoustique des éclairs d'orages s'inscrit dans le contexte de recherche de l'amélioration de la compréhension globale de l'atmosphère. En effet, les orages sont fortement associés à ses perturbations les plus extrêmes.Les ondes acoustiques sont un outil efficace pour caractériser la géométrie de la foudre à proximité du sol et à l'intérieur du nuage, en rendant également compte de la structure des charges électriques s'y trouvant, de façon complémentaire aux méthodes de détection électromagnétiques. Par ailleurs, le contenu spectral du tonnerre ainsi que son énergie présentent de fortes variabilités, qui ne sont que partiellement décrites par les modèles de source existants. Ces discussions théoriques sont alimentées depuis les années 60 par des mesures de laboratoire et de terrain. Certains paramètres centraux comme l'énergie de la décharge, son taux de conversion acoustique et sa variabilité sont encore mal connus. En particulier, la puissance acoustique totale d'un éclair n'a été que peu mesurée jusqu'à présent, et de façon très approximative.Ce travail de thèse propose une amélioration de la caractérisation de la puissance acoustique des éclairs d'orages, en mêlant les apports de la reconstruction acoustique basse fréquence avec une correction plus fine des effets de propagation. Cela permet d'ajouter à la géométrie 3D une dimension physique supplémentaire : la distribution de la puissance acoustique. Avec des données de terrain récoltées durant le projet HyMeX, nous développons une méthode d'évaluation de la puissance acoustique à partir des détections effectuées par corrélations croisées des signaux d'un réseau de microphones. Nous montrons que la puissance acoustique totale et sa distribution au sein de la géométrie 3D sont très variables. Une partie de cette variabilité semble s'expliquer significativement par les paramètres électriques de la décharge et par la structure de charges du nuage. A terme, l'amélioration de la validation expérimentale des conditions de propagation acoustique sera nécessaire pour caractériser plus précisément les mesures à la source, celles que nous avons effectuées présentant plusieurs contradictions inattendues avec les modèles existants de tonnerre.
Origine : Version validée par le jury (STAR)