Foudre

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La foudre est un phénomène naturel de décharge électrostatique disruptive qui peut se produire lorsqu'une grande quantité d'électricité statique s'est accumulée dans des zones de nuages d'orage, dans ces nuages, entre eux ou entre de tels nuages et le sol (la terre ou la mer). La différence de potentiel électrique (électrostatique) entre les deux zones peut atteindre 10 à 20 millions de volts[1] et pour qu'apparaisse la foudre un plasma est produit dans l'air sur le parcours de la décharge, causant les deux phénomènes observés : l'éclair d'une part, qui se propage très rapidement, et d'autre part le tonnerre, qui résulte d'une dilatation explosive de l'air échauffé par l'éclair, et se propage relativement lentement (à la vitesse du son dans l'air, qui dépend de sa température) [2].

La foudre a tendance à frapper de préférence le sol proche du nuage générateur, en particulier dans les régions de haute altitude, et plus particulièrement les bâtiments et arbres, ou tous objets proéminents sur le sol ou la mer, qui peuvent être plus précisément ciblés par effet de pointe, mais aussi par des effets de conduction électrique. Le tonnerre peut résonner d'un craquement sec et immédiat lorsque l'éclair est proche, ou gronder plus largement au loin, en particulier en montagne, par effets d'écho. Comme la lumière voyage beaucoup plus vite que le son, l'éclair est en général visible bien avant que le tonnerre ne soit audible, ce qui permet d'estimer la distance à laquelle la foudre est tombée (en multipliant par 0,34 environ le nombre de secondes d'écart pour avoir une première estimation en km[3]).

Elle présente de nombreux dangers  : électrocution des personnes et des animaux, déclenchement d'incendies, interférences électromagnétiques nuisibles aux communications, à l'aviation et à la navigation, destructions de composants dans les équipements électroniques, etc. C'est pourquoi plusieurs techniques ont été développées pour la détecter, ce qui reste difficile avant le coup de foudre, et la canaliser quand c'est possible, afin de protéger les êtres vivants et les biens.

Des éclairs zébrant le ciel de Schaffhouse (Suisse). Photo prise depuis Dörflingen. Un oiseau est aussi visible dans l'image. Quatre images de celui-ci sont visibles du fait de l'effet stroboscopique dû aux éclairs.
Éclair au-dessus d'une ville

La charge[modifier | modifier le code]

Cycle de vie d'un orage : fort mouvement ascendant au début et descendant ensuite. Ce qui crée les conditions favorables au transport des charges électriques
Distribution des charges électriques et de la foudre dans un orage grâce aux différences de potentiel créées

Les nuages d'orage (cumulonimbus) créent les conditions météorologiques favorables à l'accumulation de charges électriques et, par conséquent, à la création d'effets de condensateur géants[4] :

  • La différence de température importante entre la base et le sommet du nuage, induit de puissants déplacements d'air verticaux, mais qui peuvent être aussi horizontaux, dans le nuage et son pourtour ;
  • La présence d'humidité, avec des gouttes d'eau de tailles diverses et variables, ainsi que de poussière et aussi de glace, qui selon leur taille (et donc leur masse) vont descendre dans le nuage plus ou moins vite, mais aussi monter, pour les plus légères, portées par les courants ascendants, et vont pouvoir échanger des électrons par effet triboélectrique ;
  • L'atmosphère (avec tout ce qu'elle contient) étant devenue électriquement fortement chargée, il y a dans le nuage des zones à potentiel électrique différent : en général négatif à sa base, et positif au-dessus (cette configuration semble apparaître dans 80 à 90% des cas, les 10 à 20 % restants donnant par contre un nuage positif à sa base)[5]. Mais il faut aussi tenir compte de champs électrostatiques horizontaux qui sont présents dans le nuage, ou entre nuages. Il existe des champs électriques qui peuvent devenir très importants.

L'électrisation du nuage d'orage est donc explicable par la contribution de deux phénomènes physiques : convection atmosphérique et gravitation

La gravitation[modifier | modifier le code]

Les gouttes de pluie, les grêlons et les particules de grésil (de petits grains de glace) tombent par gravité vers le bas du nuage, plus vite que les gouttes d'eau et les cristaux de neige et de glace de poids inférieur, qui restent en suspension ou ne tombent que lentement. 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, ou positivement si cette température est supérieure à ladite limite. Comme les grains tombent plus rapidement que les cristaux, ils transportent vers le bas, depuis les zones supérieures du nuage où les températures sont en général bien inférieures à −15 °C, des charges négatives[4]. Le seuil des −15 °C dépassé, celles-ci deviennent positives. On peut obtenir alors une structure tripolaire du nuage, avec une couche médiane importante, chargée négativement et entourée de deux couches positives, l'une en bas, la seconde tout en haut. Cependant, les chocs ou frottements entre particules ne sont pas tout à fait seuls à l'origine de l'électrisation du nuage.

La convection[modifier | modifier le code]

Les ions libres dans l'atmosphère sont captés par les gouttelettes d'eau dans le nuage, qui sont ensuite emportées dans les courants verticaux créés par le mécanisme de la convection (l'air chaud monte dans l'air plus froid, et inversement). Ceci produit des accumulations de charges différentes selon l'altitude dans le nuage[4].

Au sommet des cumulonimbus, les rayons cosmiques frappent directement les molécules d'air situées dans une atmosphère peu dense (moins de 300 hPa), 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, au voisinage du sol à la surface de la Terre, le champ électrique très intense peut produire une « décharge Corona » d'ions positifs, car quand la différence de potentiel avec l'objet pointu est suffisante, un champ électrique intense produit l'excitation des électrons avoisinants. Ceux-ci entrent alors en collision avec des atomes neutres, qui libèrent de nouveaux électrons, qui vont à leur tour induire l'apparition d'autres électrons, et ainsi de suite, telle 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 de la base du nuage. Mais la couche inférieure positive du nuage étant assez fine, c'est la couche médiane négative qui aura une influence électrostatique sur la Terre. Lors d'un orage, celle-ci se charge donc en général positivement, par influence.

La décharge[modifier | modifier le code]

Animation de la décharge

Lorsque ce champ électrostatique dépasse les limites diélectriques de l'air (variables selon les conditions d'humidité et de pression), il apparait une décharge, conduisant localement à un rééquilibrage électrostatique (généralement une petite décharge de 50 à 100 mètres de longueur à la base du nuage, vers le bas. On constate toutefois qu'un tiers de ces décharges se font en sens inverse, provenant du sol vers le nuage. Elles ne sont généralement visibles que lors de gros orages.

Foudre positive ou négative[modifier | modifier le code]

La décharge peut être positive ou négative[4] :

  • Si le coup est négatif, cas usuel, la décharge se passe du bas du nuage chargé négativement vers le sol (ou la mer), ou un autre nuage chargé positivement. Les décharges sont multiples et variées : à une première décharge partielle de durée de front de 10 à 15 microsecondes succèdent des décharges d’attaque plus raides et de descentes plus douces ;
  • Quand le coup est positif, le bas du nuage est chargé positivement. Une seule décharge apparaît durant de 0,1 à 0,2 secondes. La durée d’attaque varie entre 20 et 50 μs et l’amplitude du courant des «coups positifs» est généralement supérieure à celle des coups négatifs.

L'éclair positif est moins fréquent, 10 % ou moins, mais plus destructeur[4],[6]. En effet, il implique le plus souvent la partie supérieure du nuage, l'enclume (située vers 10 000 m dans les régions tempérées), ce qui correspond à une plus grande distance du sol, et donc à une plus grande différence de potentiel électrique au moment du déclenchement. Alors que le coup négatif produit en moyenne un courant de 120 000 ampères, pour une charge de 350 coulombs, le positif peut produire des pointes jusqu'à 300 kA, et plusieurs centaines de coulombs[7],[8]. L'éclair positif peut frapper à plusieurs kilomètres en aval de l'orage, sous l'extension horizontale de l'enclume, dans une région sans précipitations, surprenant ainsi les observateurs de l'orage : c'est un cas de foudre en ciel clair.

Tracé[modifier | modifier le code]

Ce qui se passe pour un éclair nuage-sol "classique" peut se décrire en trois étapes[2],[9] :

  1. le potentiel électrostatique, devenu très élevé, crée une première décharge montante (en partant du sol), qui arrache des électrons aux molécules de l'air, créant ainsi un premier canal ionisé, appelé traceur ou précurseur, qui ne transporte encore qu'une faible charge électrique, et avance vers une zone de charge opposée, à une vitesse de l'ordre de 200 km/s. Une seconde décharge suit, prolongeant le traceur de quelques dizaines de mètres, puis ce précurseur va progresser par bonds de longueurs proportionnelles à l'amplitude des décharges élémentaires. Le traceur est le plus souvent à multiples branches, pouvant buissonner avec des directions variées, la progression correspondant à la recherche d'un cheminement optimal, de moindre résistance électrique ;
  2. les charges positives accumulées sous l'orage, en réponse à l'approche de la charge négative croissante portée par les précurseurs, ont tendance à se concentrer sur des objets élevés et pointus, tels que les arbres, les poteaux et les bâtiments... quelquefois les personnes, isolées et debout ou (pire) en groupe. Un phénomène que tentent d'exploiter les paratonnerres. Cela initie à un certain moment un traceur allant jusqu'au nuage ;
  3. quand le canal précurseur rejoint le nuage, en général à moins de 100 mètres du sol, un arc électrique en retour va se déclencher, utilisant le canal du précurseur (traceur en dard). Il libère alors les charges électriques accumulées de part et d'autre, qui vont pouvoir se rejoindre, et donne l'éclair proprement dit ; le courant se propage alors à une vitesse qui peut atteindre 100 000 km/s[10] (un tiers de la vitesse de la lumière). La décharge passe dans un canal qui a entre 50 mètres et 25 km de longueur, et environ 3 cm de diamètre[10].

Les décharges entre nuages se produisent de façon similaire, en connectant des zones de charges opposées d'un nuage à l'autre. Pour ce qui est des décharges dans un nuage, ne passant pas à l'air libre, il n'y a pas d'arc de retour, mais seulement la rencontre des traceurs provenant de l'un et de l'autre.

Couleurs et longueurs d'ondes, parasites électromagnétiques[modifier | modifier le code]

Eclairs à Belfort en France.

Le long du chemin parcouru, la décharge, quipeut correspondre à une différence de potentiel initiale de 100 millions de volts, surchauffe les gaz de l'atmosphère et les ionise (la température peut atteindre cinq fois celle de la surface du soleil, soit 30 000 K). Il se forme un plasma conducteur, à l'origine de l'émission soudaine de lumière que l'on observe[10]. Le phénomène lumineux est communément dénommé « éclair ».

La couleur observable de cet éclair dépend de plusieurs facteurs : la densité de courant, la distance de l'observateur à l'éclair, et différentes particules présentes dans l'atmosphère. En général, la couleur perçue d'un éclair est blanche dans un air sec, jaune en présence d'une grande quantité de poussières, rouge en cas de pluie, et bleue en présence de grêle[11].

La perception de couleur blanche de l'éclair est aussi liée à l'ensemble des longueurs d'ondes des différents éléments présents dans l'air électrifié, l'air étant notamment composé de manière principale d'oxygène et d'azote[12], qui contribuent en émission à des longueurs d'ondes correspondant au vert (508 à 525 nm) et jaune-orange (599 nm) pour l'oxygène et bleu (420 à 463 nm) et rouge (685 nm) pour l'azote[13]. Mais ce n'est là qu'une partie des longueurs d'ondes présentes dans la lumière de l'éclair en air sec, car d'une part ces éléments produisent aussi d'autres longueurs d'ondes, et d'autre part, l'air contient d'autres éléments physiques.

La foudre provoque également des parasites électromagnétiques qui perturbent les télécommunications.

Fréquence de la foudre, risques pour l'aviation[modifier | modifier le code]

Carte de la fréquence de la foudre dans le monde. Plus de 1,2 milliards d'éclairs se forment par an, principalement en zones équatoriale (Le Rwanda est le plus touché pour ce qui est du nombre d'impacts de foudre par km2)[14]

On voit dans l'image de droite que la foudre est plus fréquente à l'équateur et, selon la latitude, dans les zones chaudes et humides, notamment près des littoraux. En effet, les orages qui produisent la foudre sont engendrés par une instabilité de l'atmosphère due à une élévation de la température du sol et à une humidité de basse altitude. Les zones équatoriales, bien plus chaudes et humides, sont donc beaucoup plus orageuses que les zones polaires. Les orages peuvent y atteindre 15 000 mètres d'altitude.

Les conditions à l'échelle synoptique organisent la convection de l'ensemble de l'atmosphère terrestre. Ce n'est pas partout à l'équateur que les conditions sont favorables à la formation des orages. Ainsi, la zone de convergence intertropicale, alimentée par l'action des alizés, correspond d'abord à des mouvements de soulèvement au-dessus de sols surchauffés permettant la formation assez continuelle d'orages. Au nord et au sud de cette zone, il y a par contre des mouvements descendants d'air sec, qui dégagent le ciel, et correspondent à des zones désertiques, où l'humidité et les orages sont absents. Les eaux des courants marins froids inhibent l'apparition des orages (ex. côte ouest de l'Amérique du Nord et du Sud), alors que les eaux chaudes les favorisent (ex. le Gulf Stream, et tous les parcours des ouragans).

L'aviation est particulièrement concernée par les risques de foudroiement, qui sont fréquents dès qu'un avion pénètre dans un cumulonimbus (il va jouer alors le rôle d'un court-circuit traversant rapidement le nuage électrisé...). Les pilotes ont pour consigne d'éviter la traversée et même la trop grande proximité de ce type de nuages, principalement à cause de la force des courants aériens internes et périphériques (et aussi au-dessous et en dessous), qui peuvent conduire à des pertes de contrôle (décrochages), ou à la traversée de nuages de grêle très violents et destructeurs (risques d'extinction moteurs, impacts sur le pare-brise, etc.). Les avions sont protégés contre les foudroiements par l'effet "cage de Faraday" assuré par leur structure métallique, ou par des aménagements des structures en matériaux composites), mais aussi par les normes appliquées pour la conception et la réalisation des câblages et des équipements internes, certains équipements plus exposés pouvant toutefois être endommagés (antennes radar météo, gouvernes...). Les équipages sont quant à eux soumis alors à une lourde charge de travail quand ils n'ont pas pu éviter le cœur des zones orageuses (perte de visibilité extérieure, bruits violents et fortes turbulences, communications difficiles, pertes de vitesse brutales en approche ou au décollage, ou même à très haute altitude...).

Au sol, la foudre a fait l'objet de différents types d'études scientifiques statistiques, car il y a de nombreuses différences de caractéristiques selon les lieux et les circonstances d'observation (amplitude, durée, nombre d'arcs en retour) et suivant le type d'éclair (intra-nuage, nuage-sol, positif, négatif) :

  • selon une étude française, 50 % des coups de foudre qu'elle a répertoriés ont une intensité inférieure à 50 000 A et 99 % inférieure à 200 000 A[4]. Environ 60 % des décharges sont intra ou inter-nuages ; on estime à 32 millions le nombre d'éclairs frappant le sol chaque année dans le monde ;
  • 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 ;
  • La fréquence ou la répartition des éclairs peut aussi être modifiée à la suite des évolutions climatiques, mais aussi de l'artificialisation des milieux, et plus précisément de la création par l'homme de sites et d'objets attirant la foudre.

Estimation du taux[modifier | modifier le code]

Fréquence exceptionnelle durant un orage en 1991 à Sydney en Australie : un éclair toutes les 30 secondes pendant deux heures

Le taux de foudre f est proportionnel à la puissance 6[Note 1] de la vitesse w des mouvements d'air ascendants [15],[16]. On peut donc écrire a est un coefficient de proportionnalité. Elle s'exprime en m−2 s−1

La référence est en fait plus spécifique, et les auteurs affirment aussi dans une seconde équation que[16],[17] :

W (en mètres) est la « largeur » du mouvement ascendant et Z est la réflectivité radar (en mètre-cube[Note 2]). En mettant en relation les deux équations, on constate que la fréquence (f) des éclairs permet d'estimer - grossièrement - la vitesse des courants ascendants, et donc la dangerosité de l'orage si on connait Z et W. Toutefois, en ce qui concerne les orages tropicaux, Yoshida[18] affirme que la fréquence des éclairs est proportionnelle à , ce qui modifierait la relation pour ces latitudes.

Tonnerre[modifier | modifier le code]

Tonnerre, autres effets[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Phénomènes lumineux transitoires.

La foudre génère une onde acoustique, le tonnerre. Cette onde est engendrée par la dilatation brutale de l'air surchauffé par l'arc électrique[2],[10]. Elle peut consister pour l'observateur au sol en un bruit sec ou un roulement, sourd selon la distance séparant l'auditeur de la foudre.

Grâce au télescope spatial Fermi, Michael Briggs et ses collaborateurs ont analysé le spectre d'émission des flashs de 17 éclairs ; ils y ont trouvé un pic net à 511 kilo-électron-volts, l'exacte quantité d'énergie produite par l'annihilation d'un électron et de son antiparticule, le positron[19].

Des positrons ont été accidentellement détectés (en 2009) autour d'un avion volant à l'intérieur d'un nuage d'orage[20].

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 très élevée (mésosphère et ionosphère), ont retardé leur découverte par les scientifiques. Elles n'ont été confirmées que dans les dernières décennies.

Distance[modifier | modifier le code]

Pour un observateur, la durée entre la vue de l'éclair venant d'un orage et la perception du son tonnerre permet de déterminer la distance approximative d'un impact de foudre. En divisant par 3 le temps en secondes qui s'écoule entre la vue de l'éclair et l'instant où on entend le tonnerre, on obtient une distance en kilomètres.

La vitesse de la lumière dans l'air est de presque 300 000 km/s. L'observateur réagit à la vue de l'éclair en un ou deux dixièmes de secondes, alors que le temps de trajet de la lumière, sur une distance qui ne dépasse pas quelques dizaines de kilomètres, est de moins d'un dix-millième de seconde. On peut dire qu'il voit l'éclair au moment où il se produit. Au point d'origine de l'éclair, on a une onde de choc plutôt qu'un son ; mais après une courte distance par rapport à celle jusqu'à l'observateur, la propagation du son suit les lois de l'acoustique linéaire. La vitesse du son dans l'air est approximativement de 330 m/s plus 0,6 par degré Celsius aux températures courantes. Mais la température de l'air peut varier largement entre l'éclair et l'observateur, et de ce fait, le son, par réfraction, ne se propage pas exactement en ligne droite ni à une vitesse constante ; les vents violents qui soufflent souvent dans les nuages d'orage s'ajoutent ou se retranchent à la vitesse de propagation du son ; l'origine de l'éclair, dans le ciel, peut-être plus près que l'arrivée de la foudre au sol[21]. Même en mesurant le temps avec un chronomètre, la précision est illusoire.

La distance maximale à laquelle on entend le tonnerre varie selon la stabilité de l'air. En effet, le son se disperse dans des conditions instables et porte plus loin dans des conditions stables. On peut voir un éclair sans entendre le tonnerre et donc sans pouvoir calculer la distance à l'orage. 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 (engendrés par des altocumulonimbus), 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.

Différents types de foudre[modifier | modifier le code]

Éclairs intra et inter-nuages[modifier | modifier le code]

La disposition des charges électriques dans l'orage, telle 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 les unes des autres 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.

Éclairs nuage-sol[modifier | modifier le code]

Il existe deux types de foudre nuage-sol, soit descendant (sommet du nuage vers le sol) et ascendant (sol vers base du nuage)[4] :

  • 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 est le plus fréquent dans le cas de coup de foudre sur des structures de grande hauteur (tour, pylône). Il se produit également souvent à l'avant du nuage proprement dit, jusqu'à 40 kilomètres du nuage, lorsqu'il part de l'enclume. Un tel phénomène peut surprendre les gens qui se pensent à l'abri en voyant l'orage dans le lointain (un coup de tonnerre dans un ciel serein)[22].

Foudre en boule[modifier | modifier le code]

Gravure du XIXe siècle illustrant le phénomène de foudre en boule
Article détaillé : Foudre en boule.

La foudre en boule, ou foudre globulaire, est un phénomène se produisant parfois à l'impact (dans de très rares cas, avant). Elle se présente en règle générale sous la forme d'une sphère lumineuse de taille variable (de l'ordre du centimètre à plusieurs dizaines de centimètres de diamètre). Les observations rapportent différentes couleurs (blanc, rougeâtre, parfois jaune, etc.) et une durée de vie très différente selon les cas, mais le plus souvent tout au plus quelques secondes. Encore aujourd'hui, les connaissances à son sujet sont assez fragmentaires. Il a été tenté de nombreuses fois de la reproduire en laboratoire, comme selon la théorie chimique imaginée par les chercheurs néo-zélandais John Abrahamson et James Dinnis[23], sans toutefois apporter d'explication définitive au phénomène. Les premières « boules de feu » artificielles auraient été créées par des scientifiques brésiliens de cette façon[24] :

  1. un arc électrique créé entre deux électrodes vaporise du silicium pur ;
  2. en se refroidissant, le nuage de silicium se contracte ;
  3. le silicium se combine à l'oxygène de l'air. La réaction chimique dégage de l'énergie donnant une température estimée de 1 700 °C à ces boules de feu qui tournent généralement sur elles-mêmes juste au-dessus du sol puis disparaissent.

Foudre volcanique[modifier | modifier le code]

L'orage volcanique de l'éruption du mont Rinjani (Indonésie), en 1994.
Article détaillé : Orage volcanique.

Un orage volcanique est un phénomène météorologique résultant de l'apparition de foudre au-dessus d'une éruption volcanique quand les particules de cendre et de poussière qui sont expulsées par cette dernière sont projetées à grande vitesse dans une zone d'activité thermique intense. Elles se frottent rapidement, ce qui les charge en électricité, et les fait donc accumuler des charges positives ou négatives. La tension des champs électromagnétiques formés par ces dernières devient progressivement trop forte, ce qui provoque l'apparition de foudre volcanique[25].

Dangers[modifier | modifier le code]

Il y a environ 2 000 orages dans le monde entier à chaque instant. Ces orages produisent entre 30 et 100 éclairs nuage-sol par seconde ou environ 5 millions d'éclairs par jour[26]. Les dommages à travers le monde sont donc importants. Par exemple en France, selon l'INSERM, il y a de 15 à 25 décès par an liés à la foudre[27].

Les dangers de la foudre sont définis par :

  • 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. Chaque année, en France, environ 2 millions d'impacts de foudre sont enregistrés par les systèmes de détection, et près de 250 clochers sont plus ou moins gravement endommagés par le "feu du ciel" qui provoque également entre 15 000 et 20 000 incendies[4].
  • Les effets indirects (électromagnétiques)[4] : 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 intensité exceptionnelle. Il s'ensuit la génération d'impulsions électriques parasites très puissantes, qui sont majoritairement en cause dans les dégâts d'après les statistiques. 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…).
  • La conduction[28] De nombreux animaux craignent instinctivement la foudre, qui est plus dangereuse pour les animaux au sol que dans les arbres (tant que l'arbre n'est pas lui-même foudroyé), et tout particulièrement pour les quadrupèdes (par rapport aux bipèdes). Le foudroiement direct d'animaux (ou de personnes) est très rare, mais la foudre peut indirectement tuer en frappant à proximité : en effet autour du point d'impact elle crée un déplacement de charges électriques avec un certain potentiel électrique. Ce potentiel est plus ou moins important suivant la nature du sol (sa résistivité) et selon la distance à l'impact. La différence de potentiel (tension) entre deux points est d'autant plus importante que l'écart est grand entre ces deux points (pour une résistivité donnée). Plus cette tension est importante, plus un courant intense peut circuler dans un organisme vivant (électrocution) par les membres en contact avec le sol. Ce phénomène est appelé « tension de pas », plus élevée pour un grand quadrupède orientée vers le point d'impact, que pour un être humain[29]. Ainsi en aout 2016, dans un parc national norvégien la foudre a tué plus de 323 rennes qui s'étaient regroupés lors d'un orage[30].

Détection[modifier | modifier le code]

Antennes faisant partie d'un réseau de détection de la foudre en Chine. Ce réseau peut détecter les éclairs en trois dimensions dans les orages
Article détaillé : Détecteur de foudre.

Il existe différents systèmes de détection de la foudre :

  • 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[31],[32] ;
  • 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[33] ;
  • 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[33] ;
  • Détection par satellite artificiel des éclairs produits par les orages en balayant la zone de vision pour la détection des flashs lumineux. On utilise pour cela des satellites géostationnaires comme les GOES et METEOSAT qui se situent à environ 36 000 km de la Terre. À cette distance, on peut négliger l'épaisseur de l'atmosphère et la position peut être déduite en latitude et longitude directement[34].

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[modifier | modifier le code]

Articles détaillés : Paratonnerre et Parasurtenseur.
Éclair frappant la Tour Eiffel en 1902

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 dédiés.

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[35] ; ce qui est le cas dans 90 % des coups de foudre. 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 (s'il reste en bon état).

Un bon dispositif extérieur de protection d'une installation contre la foudre est constitué de quatre composantes :

  1. Un dispositif de capture, qui peut prendre plusieurs formes : fils tendus, paratonnerres à tige ou paratonnerres à dispositif d'amorçage, conducteurs maillés… Ces dispositifs doivent être dimensionnés, en fonction du niveau de protection souhaité, par la méthode de la sphère fictive déduite du modèle électrogéométrique de la foudre, de manière à ce qu'un impact foudre se produise préférentiellement sur le dispositif et non sur l'installation à protéger;
  2. Une bonne liaison équipotentielle de toutes les pièces métalliques du bâtiment connecté au puits de terre (constitué d'un réseau de conducteurs nus et enterrés, en contact intime avec le sol), qui doit permettre de disperser "facilement" les courants dans le sol. Pour ce faire, ces conducteurs doivent présenter une faible résistance à la terre[36], ce qui permet en outre de limiter les surtensions susceptibles d'apparaître sur les liaisons électriques extérieures qui pénètrent dans l'installation à protéger;
  3. Des conducteurs de descente, qui assurent la jonction entre le dispositif de capture et le puits de terre;
  4. Des parasurtenseurs au niveau du tableau électrique principal afin de dissiper toutes les charges électriques qui pourraient circuler sur le réseau électrique du bâtiment (entre autres par induction, même sans contact direct avec la foudre) et risqueraient d’endommager les appareils branchés à l'installation électrique.

Cet ensemble de conducteurs doivent être interconnectés correctement, et durablement.

Toutefois, l'installation d'un paratonnerre ne prend pas en compte les effets indirects de la foudre sur une installation. La circulation du courant foudre sur les conducteurs du dispositif génère un champ magnétique impulsionnel intense, qui peut perturber voire détruire certains constituants de l'installation électrique du bâtiment à protéger. Plusieurs solutions peuvent être envisagées afin de limiter ces effets :

  • éloigner les conducteurs de capture et de descente de l'installation à protéger, puisque le champ magnétique rayonné par un conducteur est inversement proportionnel à la distance par rapport à ce conducteur ;
  • multiplier ces conducteurs de manière à diviser les courants : on peut réduire ainsi les niveaux de champs à proximité des conducteurs, et si le courant est bien réparti autour de l'installation à protéger, on obtient également un certain effet de compensation du champ magnétique créé par chaque conducteur ;
  • augmenter l'atténuation propre à la structure de l'installation, par exemple par une amélioration de la continuité électrique du ferraillage dans le cas de constructions en béton armé (soudure des croisements et des chevauchements de fers), de manière à constituer un meilleur écran électromagnétique ;
  • améliorer l'équipotentialité des masses métalliques de l'installation, pour limiter les différences de potentiels induites, en interconnectant les différents éléments conducteurs de l'installation (poutres métalliques, conduites d'eau, châssis des armoires et des équipements électriques…), au moyen de tresses de masse par exemple ;
  • apporter un traitement particulier au câblage de l'installation : placer les câbles au plus près des masses métalliques (poutres par exemple) ou sur des chemins de câbles métalliques reliés à la masse à leurs deux extrémités, ce qui permet de réduire les surfaces des boucles de masses et donc les tensions parasites induites aux entrées / sorties des équipements électriques.

Dans les réseaux électriques, on évite que la foudre tombant sur les lignes électriques ne se propage à l'intérieur du poste en installant au-dessus des conducteurs électriques 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, ainsi que la longueur et la position des câbles, qui jouent en effet un rôle primordial.

À l'extérieur, les règles de protection individuelles sont en ville de se protéger dans un bâtiment et en campagne de s'éloigner de tout point culminant (effet de pointe des arbres, des clôtures) et de ne pas se regrouper (en espace exposé). La voiture, avec sa carcasse métallique, est une assez bonne protection (effet cage de Faraday). La position la plus sûre, si on ne peut se mettre à l'abri, est celle de la « boule de sécurité » qui consiste à s’accroupir, les pieds joints et sans toucher le sol avec les mains[37] mais il faut penser à se séparer des objets métalliques pointus (alpinistes).

Le risque de foudre peut être apprécié par la « règle des 30-30 », selon laquelle il devient impératif de se protéger contre la foudre si le délai entre éclair et coup de tonnerre est inférieur à 30 secondes (l'orage est situé à une distance d'environ 10 km), ou si le délai écoulé après le dernier éclair ou coup de tonnerre est inférieur à 30 min[38].

Normalisation en France[modifier | modifier le code]

Le dimensionnement d'un dispositif extérieur de protection foudre des installations est régi en France par les normes NF EN 62305 et NF C 17-100[39], qui proposent une méthode d'analyse de risque à partir de paramètres tels que la sensibilité d'une installation (présence de matières dangereuses, risque de panique, etc.) et son exposition au phénomène foudre, estimée à partir de statistiques de foudroiement de la zone géographique dans laquelle l'installation à protéger se situe[4]. Cette analyse aboutit à la détermination d'un niveau de protection à apporter, et à partir duquel la norme propose un dimensionnement adéquat du dispositif extérieur de protection de l'installation.

L'analyse de risque proposée par la norme NF EN 62305-2[40] est beaucoup plus fine, mais également plus difficile à appliquer, que celle de la norme NF C 17-100. Quant à la norme NF EN 62305-3[41], elle propose des solutions plus concrètes et est beaucoup plus exhaustive, concernant les configurations d'installations, que la norme NF C 17-100.

La norme NF EN 62305-4[42] permet de prendre en compte les effets de l'impulsion magnétique créée par un impact foudre sur une installation électrique, contrairement à la NF C 17-100 qui ne traite que des effets directs.

Les paratonnerres à dispositif d'amorçage (PDA) sont régis par la norme NF C 17-102[43] mais leur utilisation reste très controversée, à cause du manque de démonstrations solides de l'augmentation du rayon de protection qu'un PDA est censé apporter par rapport à un paratonnerre classique de hauteur équivalente.

En ce qui concerne les parafoudres à placer sur les liaisons d'alimentation en entrée d'une installation électrique, se référer à la norme NF EN 61643-11[44] pour le choix des caractéristiques de ces composants et au guide UTE C 15-443 pour des préconisations sur leur intégration dans l'installation électrique. La norme NF C 15-100 donne quelques informations à ce sujet, mais renvoie essentiellement à ces deux textes. Les liaisons de communications entre installations peuvent également nécessiter une protection des interconnections électriques par parafoudres, régies par la norme NF EN 61643-21.

Énergie[modifier | modifier le code]

Certaines personnes caressent l'espoir de récupérer l'énergie de la foudre pour s'alimenter en électricité. Une telle récupération de l'énergie des éclairs paraît pour l'instant peu probable, car non seulement elle nécessiterait la couverture de l'ensemble du territoire par un nombre immense de paratonnerres, mais surtout elle ne pourrait être que très peu productive. En effet, un éclair est un phénomène ponctuel dégageant une grande puissance, mais sur une faible durée. L'énergie en jeu est donc bien faible, comparativement à d'autres énergies renouvelables par exemple. L'ordre de grandeur de l'énergie de la foudre est de quelques centaines de kilowatts-heures par choc (environ 280 kWh, en incluant l'énergie de l'onde rayonnée magnétiquement). Il y a entre un et deux millions de chocs par an en France. Ainsi, même si toute cette énergie était récupérée et partagée entre les 65 millions d'habitants du pays, chacun obtiendrait une part de l'ordre de 6 kWh/an, soit l'équivalent de trois heures d'utilisation d'un four ou d'un radiateur électrique.

Armement[modifier | modifier le code]

Un autre projet futuriste 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 and 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, le foudre est une arme avec laquelle Zeus lance des éclairs.

Arts[modifier | modifier le code]

La décharge de foudre ; série de peintures des dix héros de Tametomo, par Yoshitsuya Ichieisai — Japon, années 1860.

Certains photographes, appelés chasseurs d'orages, se sont spécialisés dans les clichés de foudre.

Foudre est un film écrit et réalisé par Manuela Morgaine entre 2004 et 2012. Il a été sélectionné au festival de Rotterdam de 2013, et visible dans les salles au printemps 2013. Entre documentaire et fiction, ce film met en scène quatre saisons différents sens du mot foudre : celle qui foudroie, celle qui réanime, celle qui engendre une mythologie et enfin le coup de foudre amoureux[45].

Un espace muséographique entièrement consacré à la foudre existait dans le Cantal, à Marcenat dans le Cézallier, au cœur du Parc naturel régional des volcans d'Auvergne, mais il a fermé en septembre 2012. La maison de la Foudre avait été créée en 1992 par Alex Hermant[46]

The Lightning Field est une œuvre d'art de l'artiste Walter de Maria créée en 1977. Elle se trouve au Nouveau Mexique aux États-Unis et elle se compose de plusieurs poteaux en acier. C'est une œuvre de Land art, qui peut donc être frappée par la foudre, ce qui arrive cependant rarement.

Notes et références[modifier | modifier le code]

Références[modifier | modifier le code]

  1. La foudre en quelques chiffres, sur le site energie-foudre.com, consulté le 12 décembre 2015
  2. a, b et c Service météorologique du Canada, « Comment se produisent la foudre et les éclairs », sur gc.ca, Environnement Canada, (consulté le 1er juin 2012)
  3. La vitesse du son est comprise entre 300 et 350 m/s selon les conditions, soit environ 1 km en 3 secondes; voir vitesse du son.
  4. a, b, c, d, e, f, g, h, i et j Direction des risques accidentels, Le Risque foudre et les installations classées pour la protection de l’Environnement, INERIS, , 67 p. (lire en ligne [PDF])
  5. Michel Aguet et Michel Ianoz, Traité d'Electricité (volume XXII "Haute tension"), Presses Polytechniques et Universitaires Romandes (PPUR), , 436 p. (ISBN 2-88074-062-2, EAN 9782880740627, résumé), p. 79
  6. (en) National Weather Service, « The Positive and Negative Side of Lightning », JetStream, National Oceanic and Atmospheric Administration (consulté le 23 mai 2017).
  7. (en) Richard Hasbrouck, « Mitigating Lightning Hazards », Science & Technology Review,‎ (lire en ligne [PDF]).
  8. (en) V.A. Rakov et M.A. Uman, « Positive and bipolar lightning discharges to ground », Light. Phys. Eff., Cambridge University Press,‎ , p. 214–240.
  9. Serge Soula, « La foudre ne tombe-t-elle jamais deux fois au même endroit ? », Pour la Science, no 391,‎ , p. 17-19 (lire en ligne)
  10. a, b, c et d « Foudre », sur Plasma Québec, INRS, université McGill, université de Montréal et université de Sherbrooke (consulté le 2 juin 2012)
  11. Gabrielle Bonnet, « Quelle est l'origine des orages ? (section Pourquoi l'éclair est-il lumineux ?) », Eduscol, Ens. de Lyon (consulté le 14 décembre 2010)
  12. environ 99%
  13. [PDF]La foudre, son et lumière apelh.free.fr, consulté en septembre 2014
  14. « Les éclairs produisent des quantités considérables d'oxydes d'azote », sur notre-planete.info (consulté le 1er octobre 2014)
  15. a, b et c Storm and Cloud Dynamics, p. 423
  16. a et b (en) Baker, M. B. et al., « Relationships between lightning activity and various thundercloud parameters: satellite and modeling studies », Atmospheric Research, Elsevier, vol. 51, no 3-4,‎ , p. 234 (DOI 10.1016/S0169-8095(99)00009-5).
  17. (en) Marcia B. Baker, Hugh J. Christian et John Latham, « A computational study of the relationships linking lightning frequency and sother thundercloud parameters », Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, Royal Meteorological Society, vol. 121,‎ (DOI 10.1002/qj.49712152703)
  18. (en) Satoru Yoshida et al., « A fifth-power relationship for lightning activity from Tropical Rainfall Measuring Mission satellite observations », Journal of Geophysical Research, American Geophysical Union, vol. 114,‎ (DOI 10.1029/2008JD010370, lire en ligne [PDF]).
  19. Les éclairs créent de l'antimatière, Science et Vie, n°1108, janvier 2010, page 12.
  20. (en) Davide Castelvecchi, « Rogue antimatter found in thunderclouds ; Aeroplane detects signature spike in photons that does not fit any known source of antiparticles », News du Journal Nature, vol. 521, no 7551,‎ , p. 135 (DOI 10.1038/521135a, lire en ligne)
  21. Environnement Canada, « Les sons du tonnerre » (consulté le 8 septembre 2017).
  22. (en) Bureau de Pueblo du National Weather Service, « Bolt From the Blue », NOAA (consulté le 16 décembre 2015)
  23. (en) John Abrahamson et James Dinnis, « Ball lightning caused by oxidation of nanoparticle networks from normal lightning strikes on soil », Nature, vol. 403,‎ , p. 519-521 (DOI 10.1038/35000525)
  24. « Foudre en boule », Science et Vie, (consulté le 21 juin 2007), p. 102
  25. (en) « Flash glass: Lightning inside volcanic ash plumes create glassy spherules », Science Mag, American Association for the Advancement of Science,‎ (lire en ligne).
  26. Questions fréquemment posées sur la foudre par Ressources naturelles Canada, accédé le
  27. « Foudre : les conseils pour éviter le pire », sur LaMontagne.fr (consulté le 23 juillet 2013)
  28. Les 20 recommandations en cas d'orages par l'association de protection contre la foudre, accédé le
  29. Frédéric Elie, « Foudre et tension de pas », (consulté le 2 mai 2008)
  30. « Norvège : plus de 300 rennes meurent frappés par la foudre », La Dépêche,‎ 30 aout 2016 (mis en ligne le 29) (lire en ligne).
  31. « Field mill », EUMETCAL (consulté le 13 août 2011)
  32. (en) Professeur Holzworth, « World Wide Lightning Location Network », Université de Washington, (consulté le 13 août 2011)
  33. a et b Service canadien des forêts, « La détection de la foudre », Foire aux questions (FAQ) sur la foudre, Ressources naturelles Canada, (consulté le 13 août 2011)
  34. (en) Global Hydrology and Climate Center, « Optical Transient Detector », Lightning and Atmospheric Electricity Research at th GHCC, NASA, (consulté le 13 août 2011)
  35. C'est le seul type de coup de foudre sensible à l'effet de pointe
  36. typiquement, moins de 10 Ohm
  37. Alain Bribosia Pierre Materne Luc Nachtergaele Michel Vanderperren Yvonne Verbist, Physique, De Boeck, , p. 181
  38. Elisabeth Gourbière, « Un risque naturel aux conséquences médicales mal connues : la foudre - Recommandations de protection contre la foudre », Environnement, Risques & Santé, vol. 1, no 4,‎ , p. 17
  39. [PDF]NF C 17-100 décembre 1997, sur le site sarlsomafe.com
  40. [PDF]NORME NF EN 62305-2, sur le site apfoudre.com
  41. [PDF]NORME NF EN 62305-3, sur le site apfoudre.com
  42. [PDF]Norme NF EN 62305-4, sur le site apfoudre.com
  43. [PDF]NF C 17-102 - Juillet 1995, sur le site igs.nigc.ir
  44. NF EN 61643-11 Mai 2014, sur le site afnor.org, consulté le 12 avril 2015
  45. « Foudre le film » (consulté le 13 décembre 2012)
  46. Alex Hermant, « Le musée de la foudre » (consulté le 13 décembre 2012)

Notes[modifier | modifier le code]

  1. Cotton affirme pour sa part que «  the lightning flash rate is proportional to the forth [sic] power of updraft velocity and, as we have seen, updraft velocity scales with CAPE. »[15] Cependant la puissance 4 s'écrit fourth et non pas forth. Il semblerait donc qu'il y a une erreur de retranscription dans le livre.
  2. Traditionnellement, la réflectivité radar s'exprime en mm6 m−3. On définit Ng est le nombre de gouttelettes par unité de volume et R est le « rayon » de chaque gouttelette. On démontre aisément que la vitesse de chute dans le courant ascendant est proportionnelle à R et si l'on suppose qu'il y a équilibre statistique alors la vitesse de chute est égale à la vitesse du courant ascendant. On peut donc écrire w = α R où α est un facteur de proportionnalité. On obtient donc . On retrouve donc la formule précédente exprimée dans la référence [15].

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Bibliographie[modifier | modifier le code]

  • Christian Bouquegneau, Doit-on craindre la foudre ?, EDP Sciences, coll. « Bulles de sciences », , 184 p. (ISBN 2868838413 et 978-2868838414, présentation en ligne)
  • Claude Gary, La Foudre : Nature - Histoire - Risques et Protection, Dunod, , 3e éd., 224 p. (ISBN 2100072617 et 978-2100072613)
  • Alex Hermant et Gérard Berger, Traqueurs d'orages, Nathan, , 260 p. (présentation en ligne)
  • (en) M.A. Uman, Lightning, New York, McGraw Hill,
  • (en) M.A. Uman, All about lightning, New York, Dover Publications Inc.,
  • (en) M.A. Uman, The lightning discharge, Orlando (Floride), Academic Press,
  • (en) William R Cotton; George H Bryan; Susan C Van den Heever, Storm and Cloud Dynamics (Second Edition), vol. 99, Academic Press, coll. « International geophysics series », , 809 p. (ISBN 978-0-12-0885428)
  • (en) E.R. Williams, « The electrification of thunderstorms », Scientific American, vol. 259, no 5,‎ , p. 88-99 (résumé)
  • E.Barten, P.Ollier, R.Piccoli, « Les orages et la foudre », magazine Auvergne-Sciences, Laboratoire de recherche sur la foudre,‎ (lire en ligne)

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]

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