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Monday 15 October 2018 14:55

Dossier thématique sur la foudre

La foudre est un phénomène naturel de décharge électrostatique disruptive.

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 :

une différence de température importante entre le bas et le haut du nuage, induisant de violents déplacements d'air,
la présence de particules diverses comme de la glace et des poussières qui par effet triboélectrique vont faciliter l'arrachement d'électrons,
l'air étant ionisé, il se crée dans le nuage deux zones électriquement chargées. Il s'en suit un champ électrostatique très important.

L'électrisation du nuage d'orage est basée sur deux théories : 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 la 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

La théorie de la convection veut que les ions libres dans l'atmosphère soient captés par les gouttelettes dans le nuage et sont ensuite transportés par les courants convectifs dans le nuage, produisant ainsi les régions chargées.
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.

Le nuage s'électrise donc probablement grâce à une combinaison de la gravitation et de la convection
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 DECHARGE

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 ré-équilibre électrostatique :

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 qui permet l'efficacité des paratonnerres.
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 100 000 km/s.

COULEUR

Le long du canal ionisé les gaz sont surchauffés et ionisés (la température peut y atteindre 30 000°C) et forment ainsi un plasma conducteur, ce qui explique l'émission de lumière que l'on observe. Ensuite, la couleur de l'éclair dépend de plusieurs facteurs : la densité de courant, la distance 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.

FREQUENCE

Les connaissances sur la foudre sont de l'ordre statistique 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).
50% des coups de foudre ont une intensité inférieure à 50 000 A et 99% inférieure à 200 000 A. Trois coups de tonnerre sur quatre se font entre nuages, mais on estime à 32 000 000 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 qui correspond au nombre de fois où la foudre a été entendue dans l'année.

Carte mondiale avec la fréquence de la foudre. On remarque que les zones équatoriales sont celles où les décharges sont les plus fréquentes.


TONNERRE

La foudre s'accompagne d'une onde acoustique, le tonnerre. Cette onde est engendrée par la brutale dilatation de l'air surchauffé par l'arc électrique. Elle peut consister en un bruit sec ou un roulement sourd.


DISTANCE

Les vitesses respectives de la lumière et du son permettent une bonne approximation de la distance en kilomètres de l'orage en divisant par trois le nombre de secondes qui séparent la vision de l'éclair lumineux et le bruit du tonnerre. Notons que l'ont perçoit toujours le tonnerre après avoir vu l'éclair, la propagation de la lumière étant plus rapide que celle des sons, au point que le temps qu'elle met à nous parvenir devient négligeable devant celui du tonnerre.

DANGER

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.
Les effets indirects (électromagnétiques) : le courant de foudre induit d'une part une tension de mode commun (U = R I) et un champ électromagnétique d'une exceptionnelle intensité.
Il s'ensuit la génération d'impulsions électriques parasites très puissantes, qui sont majoritairement en cause dans la majorité (statistique) des dégâts. Ces parasites suffisent en effet à dégrader des matériels électroniques sensibles (téléviseurs, 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...).

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.

Le paratonnerre va faciliter le chemin du canal foudre par effet de pointe, à condition toutefois que l'éclair passe à proximité de cette pointe. Il est ensuite très important d'assurer une continuité électrique de grande capacité jusqu'à la terre. Il ne garantit pas l'interception d'un arc électrique. (Un choc de foudre peut tomber juste à proximité.) De ce fait les constructions industrielles sensibles sont équipées de nombreuses pointes et filins conducteurs. De plus, il est bon 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. La protection des installations électriques est réalisée par l'utilisation de composants parasurtenseurs (éclateur à gaz, thermistance, diode transil) qui ont pour but de court-circuiter les impulsions parasites cheminant sur les liaisons électriques. Le bon câblage de ces composants est essentiel à leur efficacité. La longueur et la position des câbles jouent en effet un rôle primordial.

ENERGIE

Un vieux rêve (dit-on, est-il toujours d'actualité ?) serait de récupérer l'énergie de la foudre pour s'alimenter en électricité. Disons-le tout de suite: cela ne serait pas très rentable. Ne confondons pas puissance et énergie. L'éclair a la particularité d'être très bref et soudain: toute son énergie se décharge d'un coup. C'est cette rapidité qui fait toute sa violence et sa force ! Car sinon l'énergie qu'il contient n'est pas si importante que ce qu'on pourrait imaginer. 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 qu'elle allait vite.

Bien sûr, c'est déjà bien assez d'énergie pour faire des dégâts ennuyeux. Mais Rapporté à notre consommation électrique cela devient ridicule ! Toute l'énergie des orages en France, regroupée sur l'année, suffirait à peine à alimenter un four une fois par an pour chaque habitant.

L'ordre de grandeur chiffré est de quelques centaines de kilowatt-heure par choc de foudre (environ 280 kW.h, en incluant l'énergie de l'onde rayonnée magnétiquement). Il y a entre 1 et 2 millions de chocs par an en France. Si nous devons partager cette énergie entre nos 70 millions d'habitants: chacun obtiendrait de l'ordre de 6 kW.h par an (trois heures d'un four).


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