La foudre a tendance à frapper les régions de haute
altitude et les objets proéminents. Le tonnerre peut
résonner d'un craquement sec lorsque l'éclair est proche
ou gronder au loin. Comme la lumière voyage plus vite
que le son, l'éclair est visible avant que le tonnerre
soit audible.
La
foudre est un phénomène naturel de décharge
électrostatique disruptive qui se produit lorsque de
l'électricité
statique s'accumule entre des nuages d'orage
ou entre un tel nuage et la terre. La différence de
potentiel électrique entre les deux points peut
aller jusqu'à 100 millions de
volts et produit un
plasma lors de la décharge, causant une expansion
explosive de l'air par dégagement de chaleur. En se
dissipant, ce plasma crée un éclair de lumière et le
tonnerre.
La charge
Les nuages d'orage (cumulonimbus) créent les conditions météorologiques favorables à l'accumulation de charges électriques et par conséquent à la création d'un condensateur géant :
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Une différence de température importante entre le bas et le haut du nuage, induisant de violents déplacements d'air;
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La présence de particules diverses comme de la glace et des poussières qui par effet triboélectrique vont faciliter l'arrachement ou l'ajout d'électrons, selon le signe;
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L'air (et tout ce qu'il contient) étant électriquement chargé, il se crée dans le nuage des zones à potentiel électrique différents: négatif à sa base et positif à son sommet. Il s'ensuit un champ électrique très important.
L'électrisation du nuage d'orage est basée sur deux phénomènes: la gravitation et la convection.
La gravitation
Les gouttes de pluie, les grêlons et les particules de grésil (de petits grains de glace) tombent par gravité vers le bas du nuage, au-dessous des gouttes d'eau et des cristaux de glace de taille inférieure qui restent en suspension. Lorsque les grosses particules entrent en collision avec les cristaux de glace à une température inférieure à une limite critique, autour de -15°C, les grains de grésil se chargent négativement, et positivement si cette température est supérieure à ladite limite. Comme les grains tombent plus rapidement que les cristaux, ils transportent depuis les zones supérieures du nuage, où les températures sont inférieures à -15°C, des charges négatives vers le bas. Le seuil des -15°C dépassé, celles-ci deviennent positives. On obtient alors une structure tripolaire du nuage avec une couche médiane chargée négativement entourée de deux couches positives. Cependant les chocs entre particules ne sont pas seuls à l'origine de l'électrisation du nuage.
La convection
Les ions libres dans l'atmosphère sont captés par les gouttelettes dans le nuage qui sont ensuite déplacées dans les courants verticaux créés par le mécanisme de la convection. Ceci produit des accumulations de charges différentes selon l'altitude dans le nuage.
En effet, d'une part les rayons cosmiques frappent les molécules d'air situées au-dessus du nuage et les ionisent: ces ions négatifs se fixent aux cristaux et aux gouttelettes du nuage et forment une couche appelée «couche écran» en haut du nuage. D'autre part, le champ électrique intense au voisinage des objets pointus à la surface de la Terre produit une «décharge Corona» d'ions positifs: quand le potentiel de l'objet pointu est suffisant, un champ électrique intense produit l'excitation des électrons avoisinant. Ceux-ci entrent alors en collision avec des atomes neutres, qui libèrent alors de nouveaux électrons qui vont, à leur tour, créer d'autres électrons et ainsi de suite, provoquant une réaction en chaîne. C'est l' «avalanche électronique» ou ionisation par choc. Les ions positifs créés sont ensuite entraînés par l'air chaud s'élevant par convection et participent ainsi à l'électrisation du nuage. La couche inférieure positive du nuage étant assez fine, c'est la couche négative qui aura une influence sur la Terre. En effet, lors d'un orage celle-ci se charge positivement par influence.
La décharge
Lorsque ce champ électrostatique dépasse les limites diélectriques de l'air (variables selon les conditions d'humidité et de pression), il s'ensuit la décharge de foudre visant à un rééquilibre électrostatique:
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le traceur ou précurseur, transportant une faible charge électrique, avance vers une zone de charge opposée à une vitesse de l'ordre de 200 km/s, créant ainsi un canal ionisé. Dans le cas d'une décharge négative, ce précurseur progresse par bonds de longueurs proportionnelles à l'amplitude de la décharge. C'est ce phénomène que tentent d'exploiter les paratonnerres.
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Les arcs en retour se déclenchent alors successivement; ils utilisent le canal du précurseur pour libérer les charges électriques accumulées à une vitesse pouvant alors dépasser 100000 km/s.
Couleur
Le long du chemin parcouru, les gaz sont surchauffés et ionisés (la température peut y atteindre 30000 °C, cinq fois celle de la surface du soleil) et forment ainsi un plasma conducteur, ce qui explique l'émission soudaine de lumière que l'on observe. Ce phénomène lumineux est appelé «éclair». La couleur de cet éclair dépend de plusieurs facteurs: la densité de courant, la distance de l'observateur à l'éclair et les différentes particules présentes dans l'atmosphère. Cependant, en général, la couleur de l'éclair est blanche dans un air sec, jaune en présence d'une grande quantité de poussière, rouge en cas de pluie et bleue en présence de grêle.
Fréquence
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La foudre est l'objet d'études statistiques car il y a de nombreuses différences de caractéristiques (amplitude, durée, nombre d'arcs en retour) suivant le coup de foudre (intra-nuage, nuage-sol, positif, négatif).
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50% des coups de foudre ont une intensité inférieure à 50000 A (ampères) et 99% inférieure à 200000 A. Ce n'est tout de même pas mal et donne à réfléchir dans les relations amoureuses. Trois coups de tonnerre sur quatre se font entre nuages, mais on estime à 32 millions le nombre d'éclairs frappant le sol chaque année dans le monde.
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La fréquence des coups de foudre est définie à partir du niveau kéraunique (nombre de fois où le tonnerre a été entendu dans l'année) et surtout de la densité de foudroiement (nombre de coups de foudre au km² par an). Ce dernier mode de quantification peut être alimenté par des moyens de mesure, les détecteurs de foudre: moulin à champs, antennes directionnelles et capteurs par satellites. Donc, d'une certaine manière, on peut dire que dans ce cas-ci le nombre de coups de foudre au kilomètre carré n'est pas systématiquement proportionnel à la densité de population !
Autres effets
La foudre peut s'accompagner, dans les cas de fortes décharges, de phénomènes lumineux secondaires en haute altitude. La brièveté de ces flashs, ainsi que leur altitude (mésosphère et ionosphère), ont repoussé leur découverte par les scientifiques à ces dernières décennies.
Distance (complément, précisions sur le calcul de l'éloignement de l'observateur par rapport à l'orage)
La
vitesse du son permet une bonne
approximation de la
distance qui sépare un observateur d'un éclair. Dans
l'air, à pression atmosphérique et à 15 °C, le
son parcourt 340,88 mètres en 1 seconde. Ainsi, la
durée qui sépare la perception visuelle d'un éclair
(pratiquement instantanée puisque la lumière se déplace
à 300000km/s) de la perception auditive du tonnerre,
permet de calculer la distance qui sépare l'observateur
de l'éclair. Par exemple, pour une durée de 10 s, la
distance entre l'observateur et l'éclair sera de
10x340,88 = 3408,8m,
soit environ 3,4 km.
Naturellement, la
pression et la
température réelle de l'air vont changer cette
valeur mais de très peu dans les conditions normales
(ex. à 0°C la vitesse du son est de 330,9 m/s). Au point
d'origine de l'éclair où on retrouve un
plasma, cette variation est significative sur une
très courte distance mais cela est négligeable sur le
chemin total parcouru par le son. Ce qui peut être plus
important dans cet approximation est la
stabilité de l'air. En effet, le son se disperse
dans des conditions instables et porte plus loin dans
des conditions stables. Ceci veut dire qu'il est très
possible de voir un éclair sans entendre le tonnerre et
donc de ne pas pouvoir calculer la distance à l'orage.
Ainsi, les orages estivaux se produisent dans de l'air
instable et il y a une limite à la perception du
tonnerre. Dans le cas des orages hivernaux se produisant
au-dessus d'une couche stable d'inversion de
température, le son sera réverbéré en altitude par cette
couche et ne sera généralement pas perçu au sol mais
s'il peut la pénétrer, il portera très loin. La disposition des charges électriques dans l'orage,
tel qu'expliquée antérieurement, crée des différences de
potentiel entre le sommet, le centre et la base de
l'orage. Lorsque le potentiel est suffisamment grand,
l'air entre ces différents niveaux n'est plus assez
isolant et un
claquage se produit. La foudre alors générée peut se
produire entre les différentes parties du nuage ou entre
des nuages voisins. Comme ces couches sont plus près en général entre
elles qu'elles ne le sont du sol, ce genre d'éclairs
sera le premier à se produire. À mesure que l'orage
prend de l'extension verticale et que le potentiel
augmente, la foudre nuage-sol prendra le dessus sans
jamais être la seule. Le changement de proportion entre
le type inter/intra-nuageux et nuage-sol est donc une
indication du stade de développement du cumulonimbus.
Il existe deux types de foudre nuage-sol: soit
descendant (sommet du nuage vers le sol) ou soit
ascendant (sol vers base du nuage). Le type descendant
est le plus fréquent mais un basculement de ce type vers
le type ascendant est souvent indicatif de temps violent
car le nuage est alors particulièrement développé. Le
type ascendant se produit également souvent à l'avant du
nuage proprement dit, car il part de l'enclume ce qui
peut surprendre les gens qui se pensent à l'abri en
voyant l'orage dans le lointain. Le type ascendant est
le plus fréquent dans le cas de coup de foudre sur des
structures de grande hauteur (tour, pylône).
Différents types de foudre
Éclairs intra-nuageux et inter-nuageux
Éclairs nuage-sol
Dangers
Les dangers de la foudre sont définis par:
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Les effets directs (thermoélectriques): la circulation d'un très fort courant électrique échauffe la matière et cause des dommages mécaniques souvent très importants, voire spectaculaires.
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Les effets indirects (électromagnétiques): le courant de foudre induit d'une part une tension de mode commun (U = R I+ L dI/dt) et un champ électromagnétique d'une exceptionnelle intensité. Il s'ensuit la génération d'impulsions électriques parasites très puissantes, qui sont statistiquement majoritairement en cause dans les dégâts. Ces parasites suffisent en effet à dégrader des matériels électroniques sensibles (téléviseurs, ordinateurs, etc.) même si l'éclair est éloigné. Si l'éclair est plus proche, le parasite peut aussi détruire des matériels plus résistants (lampes, moteurs, fours…).
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La conduction: Pourquoi nos vaches craignent elles la foudre? Le foudroiement direct d'animaux (ou personnes) est très rare. Cependant lorsque la foudre frappe la terre, les charges électriques se dissipent dans le sol dont le potentiel électrique devient plus ou moins important suivant la nature du sol (sa résistivité) et de la distance à l'impact. La différence de potentiel (tension) entre deux points est d'autant plus importante que l'écart est grand (amplitude d'un «pas», pour une résistivité donnée. Plus cette tension est importante, plus le courant qui peut alors circuler par les membres inférieurs est important. Ce phénomène est appelé «tension de pas», plus élevée pour une vache orientée dans la direction du rayon d'un cercle dont le centre est l'impact, que pour un homme.
Détection
Il existe différents systèmes de détection de la foudre:
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Le moulin à champ est un instrument de mesure d'un champ électrique statique. En météorologie, cet instrument permet, grâce à l'analyse du champ électrostatique au dessus de lui, de signaler la présence d'un nuage électriquement chargé traduisant l'imminence de la foudre.
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Réseau d'antennes réceptrices qui reçoivent le signal radio généré par la décharge. Chacune des antennes en tire la direction d'où vient la foudre et son intensité. Par triangulation des directions, on peut ensuite déduire la position.
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Système mobile qui n'utilise qu'une antenne directionnelle pour déduire la direction et l'intensité du coup de foudre pour ensuite déduire la distance par l'analyse de la fréquence et de l'atténuation de l'amplitude du signal.
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Détection par satellite artificiel des éclairs lumineux produits par les orages.
Les réseaux de détecteurs de foudre sont utilisés par les services météorologiques comme le Service météorologique du Canada, Météo-France et le National Weather Service américain pour suivre les orages et prévenir les populations. D'autres utilisateurs privés et gouvernementaux les utilisent également, dont en particulier les services de préventions des feux de forêts, les services de transport d'électricité, comme Hydro-Québec, et les usines d'explosifs.
Le repérage par satellite est en développement, il a un meilleur taux de détection mais les données sont rapportées à intervalles de 5 à 10 minutes et non en continu. Les systèmes mobiles sont utilisés par l'industrie du transport aérien à bord d'avions afin de détecter les orages et de les éviter.
Protection
La foudre est comme issue d'un générateur parfait de courant. Une des méthodes de protection est donc de faciliter la circulation des charges électriques vers la terre au moyen de conducteurs non fonctionnels.
Le paratonnerre va faciliter le chemin du canal foudre par effet de pointe. Le paratonnerre sera efficace à condition d'être en présence d'un coup de foudre descendant dont le précurseur avance par bonds successifs; ce qui est le cas dans 90% des coups de foudres. Il est, ensuite, très important d'assurer une continuité électrique de grande capacité jusqu'à la terre.
Ce procédé ne garantit pas l'interception d'un arc électrique, qui peut tomber juste à proximité. Pour cette raison, les constructions industrielles sensibles sont équipées de nombreuses pointes et filins conducteurs. Il est aussi conseillé de réaliser l'interconnexion de toutes les parties conductrices présentes aux abords (par exemple les conduites d'eau) avec ce circuit de descente de foudre.
Dans les réseaux électriques, on évite que la foudre tombant sur les lignes électriques ne se propage à l'intérieur poste en installant au dessus des conducteurs électrique de ces lignes des câbles de garde, qui en plus de leur rôle de support de communication (ils contiennent des fibres optiques), jouent un rôle de protection contre la foudre. Au delà de cette protection primaire, la protection des installations électriques contre les surtensions produites par la foudre sur les conducteurs actifs des liaisons électriques est réalisée par l'utilisation de composants parasurtenseurs (parafoudres, éclateurs à gaz, thermistances, diodes Transil) qui ont pour but de court-circuiter les impulsions parasites cheminant sur les liaisons électriques en dérivant la majeure partie de l'énergie de l'impulsion directement vers la terre. Le bon câblage de ces composants est essentiel à leur efficacité. La longueur et la position des câbles jouent en effet un rôle primordial.
Énergie
Un vieux rêve chimérique est de récupérer l'énergie de la foudre pour s'alimenter en électricité. Une telle récupération de l'énergie des éclairs est toujours apparue impossible, car non seulement elle nécessiterait la couverture de l'ensemble du territoire par un nombre immense de paratonnerres, mais elle serait très peu productive. En effet un éclair est un phénomène ponctuel dégageant une grande puissance mais sur une faible durée, l'énergie produite est donc relativement faible, même comparativement à d'autres énergies renouvelables. Pour prendre une image: en lançant très violemment l'eau d'un seau sur une vitre fine, on la brise. Cela ne signifie pas qu'il y avait beaucoup d'eau mais que l'eau allait très vite.
L'ordre de grandeur de l'énergie de la foudre est de quelques centaines de kilowatts-heure par choc (environ 280 kWh, en incluant l'énergie de l'onde rayonnée magnétiquement). En fonction du nombre de chocs, de l'étendue du pays et de son nombre d'habitants, on pourrait calculer la quantité d'énergie récupérée par habitant et on verrait qu'elle serait assez dérisoire.
Armement
Un autre fantasme est celui de domestiquer la foudre comme arme militaire. La fiction est pleine de références sur ce mythe (notamment la "centrale météo" génératrice de tempête du jeu Command & Conquer : Alerte rouge 2). Pour le moment, on ne sait si les expériences dans ce domaine ont été vraiment concluantes, et ce pour les raisons évoquées plus haut.
Dans la mythologie grecque, l'égide est cette arme avec laquelle Zeus lance des éclairs.