Des « siffleurs » radio venus des éclairs révèlent un comportement inédit au-dessus de l’équateur magnétique

Quand les éclairs font « siffler » l’ionosphère

Chaque éclair produit une impulsion électromagnétique très brève au contenu fréquentiel très large. Une partie de l’énergie libérée reste piégée sous l’ionosphère (la couche ionisée de l’atmosphère au-delà d’une centaine de kilomètres d’altitude), mais une autre partie parvient à fuir et se propager dans l’ionosphère vers l’espace, pour ensuite parfois revenir vers le sol.

En chemin, le milieu ionisé de l’ionosphère trie les fréquences : les plus hautes voyagent plus vite que les plus basses. Le signal qui en résulte, étalé dans le temps selon la fréquence, est appelé un « siffleur » (en anglais whistler), car lorsque converti en son, il évoque un sifflement descendant. Depuis les travaux pionniers de T. L. Eckersley en 1935, qui les avait alors observés à leur retour au sol, on sait décrire ce phénomène par une loi empirique simple : pour une fréquence donnée, le temps de propagation – depuis l’instant de l’éclair source – est inversement proportionnel à la racine carrée de cette fréquence.

Une mission spatiale et des magnétomètres d’exception

C’est cette loi que, grâce à la mission Swarm de l’ESA, les chercheurs ont pu tester sur des siffleurs directement détectés dans l’ionosphère dans une gamme de fréquences peu explorée jusqu’alors. Lancés en novembre 2013 pour étudier le champ magnétique terrestre, les satellites de cette mission embarquent des magnétomètres scalaires absolus (ASM), développés par le CEA-Léti et fournis à l’ESA par le CNES.

Depuis 2019, ces magnétomètres sont exploités par l’IPGP dans un mode expérimental inédit permettant de produire régulièrement, en complément des mesures nominales de la mission, des données scalaires échantillonnées à 250 Hz. Ce sont précisément ces mesures (désormais distribuées par l’ESA) qui permettent de capter la composante magnétique des siffleurs dans la gamme de fréquences extrêmement basses de 10 à 120 Hz.

Un comportement qui défie une loi empirique centenaire : la loi d’Eckersley

En analysant ces signaux, l’équipe a constaté que la grande majorité des siffleurs détectés par Swarm suivent bien la loi d’Eckersley. Mais une catégorie échappe à la règle : ceux détectés à proximité immédiate de l’équateur magnétique. Le temps de propagation du signal n’est alors plus inversement proportionnel à la racine carrée de cette fréquence, le signal aux plus basses des fréquences arrivant plus tôt que prévu par la loi.  

Pour comprendre ce comportement, les chercheurs ont eu recours à une technique de tracé de rayons (ray-tracing) en deux dimensions, développée dans le cadre de la thèse de Martin Jenner (thèse co-financée par le CNES) aujourd’hui ingénieur à l’ONERA à Toulouse. Cette modélisation reproduit fidèlement le comportement observé. Elle permet aussi d’en révèler la cause.

La clé : des chemins « en éventail »

Loin de l’équateur, toutes les fréquences d’un siffleur empruntent des trajets quasi identiques dans l’ionosphère : seule la vitesse de propagation, qui dépend de la fréquence, est alors responsable de l’étalement du signal. C’est le cas classique décrit par Eckersley.

Près de l’équateur magnétique, où le champ magnétique terrestre est presque horizontal, la situation change radicalement. Les trajets suivis par chaque fréquence jusqu’au point de détection se déploient alors « en éventail », leurs points d’entrée dans l’ionosphère pouvant s’étaler sur plusieurs centaines de kilomètres. Les basses fréquences suivent alors des chemins nettement plus courts que les hautes fréquences. Cet effet vient partiellement compenser le fait que les hautes fréquences voyagent plus vite : les plus basses fréquences arrivent ainsi plus tôt que ne le prédit la loi d’Eckersley, ce qui explique la forme inhabituelle de ces signaux.

Les chercheurs relient ce comportement au fait qu’à proximité de l’équateur magnétique l’orientation du champ magnétique force les ondes à se propager dans un régime dit « quasi-transverse », plus facilement observé à ces fréquences extrêmement basses.

Une première observation

À la connaissance des auteurs, ces « siffleurs équatoriaux » constituent la première observation documentée d’un tel régime de propagation à l’équateur. Leur détection a été rendue possible par l’accès aux fréquences extrêmement basses offert par les données des magnétomètres ASM de Swarm, là où les études classiques se concentraient sur des fréquences plus élevées.

Plusieurs questions restent ouvertes, notamment celle de la surprenante rareté de ces signaux équatoriaux, alors que les éclairs sont fréquents dans ces régions. À plus long terme, ces résultats ouvrent aussi la voie à la généralisation aux régions équatoriales d’une méthode récemment proposée par les mêmes auteurs, offrant la possibilité de sonder l’état de l’ionosphère sous les satellites grâce aux siffleurs, en complément des méthodes classiques qui n’ont pas toujours accès à ces régions de l’ionosphère.

Références

Jenner, M., Coïsson, P., Hulot, G., Chauvet, L., & Deborde, R. (2026). On the Peculiar Properties of Extremely Low Frequency Lightning Generated Whistlers Detected at Low Earth Orbit Altitudes Close to the Magnetic Equator. Geophysical Research Letters, 53, e2025GL121525. https://doi.org/10.1029/2025GL121525

Jenner, M., Coïsson, P. , Hulot, G.,  Buresova, D. ,  Truhlik, V., & Chauvet, L. (2024), Total root electron content: A new metric for the ionosphere below low earth orbiting satellites, Geophysical Research Letters, 51 (15), https://doi.org/10.1029/2024GL110559.

Contacts

Martin Jenner —
Pierdavide Coïsson —
Gauthier Hulot —