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Foudre
Éclair au-dessus d'une ville
Éclair au-dessus d'une ville
(video) Vidéo d'éclairs en zone urbaine (info)
Les câbles du premier plan ne sont pas touchés; les éclairs sont plus éloignés
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La foudre (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...) est un phénomène naturel de décharge électrostatique (L'électrostatique traite des charges électriques immobiles et des forces qu'elles exercent entre elles, c’est-à-dire de leurs interactions.) disruptive.

La charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un...)

Cycle de vie d'un orage: fort mouvement ascendant au début et descendant ensuite. Ce qui crée les conditions favorable au transport des charges électriques
Cycle de vie (La vie est le nom donné :) d'un orage (Un orage, de l'ancien français ore qui signifiait vent, est une perturbation atmosphérique d'origine convective associée à un type de nuage particulier : le cumulonimbus. Ce dernier est à forte extension verticale, il...): fort mouvement ascendant au début et descendant ensuite. Ce qui crée les conditions favorable au transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus souvent en utilisant des véhicules et des voies de communications (la route, le canal ..). Par...) des charges électriques

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 (Un condensateur est un composant électronique ou électrique dont l'intérêt de base est de pouvoir recevoir et rendre une charge électrique, dont la valeur est proportionnelle à la tension. Il se caractérise par sa Capacité électrique. Son...) géant :

  • Une différence de température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud, provenant du...) importante entre le bas et le haut du nuage (Un nuage est une grande quantité de gouttelettes d’eau (ou de cristaux de glace) en suspension dans l’atmosphère. L’aspect d'un nuage dépend de la lumière qu’il reçoit, de la...), induisant de violents déplacements d'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec...);
  • La présence de particules diverses comme de la glace (La glace est de l'eau à l'état solide.) et des poussières qui par effet triboélectrique vont faciliter l'arrachement ou l'ajout d'électrons, selon le signe;
  • L'air (et tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) ce qu'il contient) étant électriquement chargé, il se crée dans le nuage des zones à potentiel électrique (Le potentiel électrique est l'une des grandeurs définissant l'état électrique d'un point de l'espace. Son unité est le volt.) différents : négatif à sa base et positif à son sommet. Il s'ensuit un champ électrique (Dans le cadre de l'électromagnétisme, le champ électrique est un objet physique qui permet de définir et éventuellement de mesurer en tout point de l'espace l'influence exercée à distance par des...) très important.

L'électrisation (Le terme électrisation signifie charger d'électricité (ou de charges électriques) un objet.) du nuage d'orage est basée sur deux théories : la gravitation (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.) et la convection (La convection est un mode de transfert de chaleur où celle-ci est advectée (transportée-conduite, mais ces termes sont en fait impropres) par au moins un fluide. Ainsi durant la cuisson des pâtes, l'eau se met en mouvement...).

La gravitation

Distribution des charges électriques et de la foudre dans un orage grâce aux différences de potentiel crées
Distribution des charges électriques et de la foudre dans un orage grâce aux différences de potentiel crées

Les gouttes de pluie (La pluie désigne généralement une précipitation d'eau à l'état liquide tombant de nuages vers le sol. Il s'agit d'un hydrométéore météorologique qui fait partie du cycle de...), les grêlons et les particules de grésil (de petits grains de glace) tombent par gravité (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.) vers le bas du nuage, au-dessous des gouttes d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) et des cristaux de glace de taille inférieure qui restent en suspension ( Le fait de suspendre des particules En chimie, la suspension désigne une dispersion de particule. En géomorphologie, la suspension est un mode de transport des sédiments. Le fait de suspendre un objet En mécanique, la...). Lorsque les grosses particules entrent en collision (Une collision est un choc direct entre deux objets. Un tel impact transmet une partie de l'énergie et de l'impulsion de l'un des corps au second.) 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 (Le terme de médiane, du latin medius, qui est au milieu, possède plusieurs acceptations en mathématiques :) 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 (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative,...) de la convection veut que les ions libres dans l'atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :) 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 (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) électrique intense au voisinage (La notion de voisinage correspond à une approche axiomatique équivalente à celle de la topologie. La topologie traite plus naturellement les notions globales comme la continuité qui s'entend ici comme la continuité en tout...) des objets pointus à la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est...) de la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la plus massive des quatre planètes...) produit une "décharge Corona" d'ions positifs : quand le potentiel de l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné par une étiquette verbale. Il est défini par les relations externes...) pointu (Le pointu est une famille de barques de pêche traditionnelles de Méditerranée.) est suffisant, un champ électrique intense produit l'excitation des électrons avoisinant. Ceux-ci entrent alors en collision avec des atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement...) 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 (Le mot chaîne peut avoir plusieurs significations :). C'est l' " avalanche électronique " ou ionisation (L'ionisation est l'action qui consiste à enlever ou ajouter des charges à un atome ou une molécule. L'atome - ou la molécule - en perdant ou en gagnant...) par choc (Dès que deux entitées interagissent de manière violente, on dit qu'il y a choc, que ce soit de civilisation ou de particules de hautes énergies.). 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 grâce à une combinaison (Une combinaison peut être :) 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 décharge

Décharge
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 ré-équilibre électrostatique :

  • le traceur ou précurseur, transportant une faible charge électrique (La charge électrique est une propriété fondamentale de la matière qui respecte le principe de conservation.), avance vers une zone de charge opposée à une vitesse (On distingue :) 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 (Dans cette simple équation d’onde :) de la décharge. C'est ce phénomène que tentent d'exploiter les 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.
Analyse d'une décharge. Durée totale de la séquence  : 8/25 èmes de seconde.
Analyse d'une décharge. Durée totale de la séquence  : 8/25 èmes de seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité de mesure du temps. La seconde d'arc est une mesure...).

Couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes lumineuses, avec une (ou des) amplitude(s)...)

  • Le long du chemin parcouru, les gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la...) sont surchauffés et ionisés (la température peut y atteindre 30 000 °C) et forment ainsi un plasma ( En physique, le plasma décrit un état de la matière constitué de particules chargées (d'ions et d'électrons). Le plasma quark-gluon est un plasma qui constituerait les grandes étoiles à neutrons avant qu'elles ne...) conducteur. Ce qui explique l'émission de lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière est intimement...) que l'on observe. Ce phénomène lumineux est appelé éclair. La couleur de cet éclair dépend de plusieurs facteurs : la densité de courant (La densité de courant électrique est définie comme le courant électrique par unité de surface (figure). Mathématiquement, le courant et la densité de courant sont liés par la relation :), 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 (Il existe (au minimum) cinq définitions du jaune qui désignent à peu près la même couleur :) en présence d'une grande quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur...) de poussière, rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait usage.) en cas de pluie et bleue en présence de grêle (La grêle est un type de précipitation qui se forme dans des orages particulièrement forts lorsque l'air est très humide et que les courants ascendants sont...).

Fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de temps. Ainsi lorsqu'on emploie le mot...)

Carte mondiale avec la fréquence de la foudre. On remarque que les zones équatoriales sont celles où les décharges sont les plus fréquentes.
Carte mondiale avec la fréquence de la foudre. On remarque que les zones équatoriales sont celles où les décharges sont les plus fréquentes.
  • Les connaissances sur la foudre sont de l'ordre statistique (La statistique est à la fois une science formelle, une méthode et une technique. Elle comprend la collecte, l'analyse, l'interprétation de données ainsi que la présentation de...) car il y a de nombreuses différences de caractéristiques (amplitude, durée, nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) 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 (ampères) et 99% inférieure à 200 000 A. Trois coups de tonnerre (Le tonnerre est un bruit qui est produit par l'expansion brutale de la fine colonne d'air qui a été chauffé très rapidement par la foudre au cours d'un...) sur quatre se font entre nuages, mais on estime à 32 millions le nombre d'éclairs frappant le sol chaque année (Une année est une unité de temps exprimant la durée entre deux occurrences d'un évènement lié à la révolution de la Terre autour du Soleil.) dans le monde (Le mot monde peut désigner :).
  • La fréquence des coups de foudre est définie à partir du niveau kéraunique (nombre de fois où la foudre a été entendue dans l'année) et surtout de la densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme...) de foudroiment (nombre de coups de foudre au km² par an). Ce dernier mode de quantification peut être alimenté par des moyens de mesure (capteurs de champs).


Tonnerre

La foudre s'accompagne d'une onde acoustique (Le son est une onde produite par la vibration mécanique d'un support fluide ou solide et propagée grâce à l'élasticité du milieu environnant sous forme d'ondes longitudinales. Par extension physiologique, le son désigne la sensation...), le tonnerre. Cette onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.) est engendrée par la brutale dilatation (La dilatation est l'expansion du volume d'un corps occasionné par son réchauffement, généralement imperceptible. Dans le cas d'un gaz, il y a dilatation à pression constante ou maintien du volume et augmentation de la pression.) de l'air surchauffé par l'arc électrique (Un arc électrique est un courant électrique visible dans un milieu isolant (gaz, vide...). La découverte de ce phénomène est due au chimiste et...). Elle peut consister en un bruit (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son. C'est-à-dire vibration de l'air pouvant donner lieu à la création d'une sensation auditive.) sec ou un roulement ( En mécanique, le roulement, et plus précisément le roulement sans glissement, est le mouvement d'un corps qui reste en contact avec une surface d'appui sans glisser, qui s'entend généralement pour un corps possédant une...) sourd selon la distance séparant l'auditeur de la foudre.

Autres effets

La foudre peut s'accompagner, dans les cas de forte décharges, de phénomènes lumineux secondaires en haute altitude (L'altitude est l'élévation verticale d'un lieu ou d'un objet par rapport à un niveau de base. C'est une des composantes géographique et...). La brièveté de ces flashs, ainsi que leur altitude (mésosphère et ionosphère), ont repoussé leur découverte par les scientifiques à ces dernières décennies.

Distance

Les vitesses respectives de la lumière et du son permettent une bonne approximation (Une approximation est une représentation grossière c'est-à-dire manquant de précision et d'exactitude, de quelque chose, mais encore assez significative pour être utile. Bien qu'une approximation soit le plus...) de la distance en kilomètres (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système international. Il est défini comme la distance parcourue par la lumière dans le vide en 1/299 792 458 seconde.) de l'orage en divisant par trois le nombre de secondes qui séparent la vision de l'éclair lumineux et le bruit du tonnerre. Par exemple, si vous comptez 10 secondes avant d'entendre le tonnerre, l'éclair est tombé approximativement à 3 km de vous (sans prendre en compte l'altitude et le vent (Le vent est le mouvement d’une atmosphère, masse de gaz située à la surface d'une planète. Les vents les plus violents connus ont lieu sur Neptune...) qui modifient la propagation du son).

Notons que l'on perçoit toujours le tonnerre après avoir vu l'éclair, la propagation de la lumière (~ 300 000 000 m/s) étant beaucoup plus rapide que celle du son (~ 340 m/s), au point (Graphie) que le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) qu'elle met à nous parvenir devient négligeable devant celui du tonnerre...

Notons aussi que cette distance est surévaluée car dans un premier temps, la vitesse des ondes sonores est supérieures à 340 m/s. En effet, autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5 genres Erythrotriorchis,...) de l'arc électrique l'air est ionisé, changeant ainsi la vitesse de l'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle...) sonore.

Différents types de foudre

Éclairs intra-nuageux et inter-nuageux

Éclair intra-nuageux au dessus de Toulouse
Éclair intra-nuageux au dessus de Toulouse
Éclair inter-nuageux au Maroc
Éclair inter-nuageux au Maroc

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 (Un isolant est un matériau qui permet d'empêcher les échanges d'énergie entre deux systèmes. On distingue : les isolants électriques, les isolants thermiques, les isolants phoniques et les isolants...) et un claquage (En électronique ou électrotechnique, le claquage est un phénomène qui touche entre autres tous les éléments qui ont un but isolant (condensateurs...), et qui se produit quand la tension entre deux...) 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 (La verticale est une droite parallèle à la direction de la pesanteur, donnée notamment par le fil à plomb.) 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 (Une indication (du latin indicare : indiquer) est un conseil ou une recommandation, écrit ou oral.) du stade (Un stade (du grec ancien στ?διον stadion, du verbe ?στημι istêmi, « se tenir droit et ferme ») est un...) de développement du cumulonimbus.

Éclairs nuage-sol

Éclair nuage-sol à Alger en Algérie
Éclair nuage-sol à Alger (Alger, (arabe : ??????? al-Jaz??ir, al-Dzayer ; berbère : L?ayer), surnommée Al Bahdja (« La Radieuse ») ou « la Blanche », tant par les Algériens que par les Français, est la capitale de l'Algérie et...) en Algérie
Éclair nuage-sol photographié près d'Issoudun
Éclair nuage-sol photographié près d'Issoudun

Il existe deux types de foudre nuage-sol : soit positif (sommet du nuage vers le sol) ou soit négatif (sol vers base du nuage). Le type négatif est le plus fréquent mais un basculement (Le basculement, dans le domaine de l'astronautique, est l'inclinaison progressive d'un véhicule spatial autour d'un axe quelconque. Le basculement peut être utilisé...) de ce type vers le type positif est souvent indicatif de temps violent car le nuage est alors particulièrement développé. Le type positif 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.


Foudre en boule

Gravure du XIXe siècle illustrant le phénomène de foudre en boule
Gravure du XIXe siècle (Un siècle est maintenant une période de cent années. Le mot vient du latin saeculum, i, qui signifiait race, génération. Il a ensuite indiqué la durée d'une génération humaine et faisait 33 ans 4 mois (d'où peut...) illustrant le phénomène de foudre en boule

La foudre en boule, ou foudre globulaire, est un phénomène météorologique rare. Elle se présenterait sous la forme d'une sphère (En mathématiques, et plus précisément en géométrie euclidienne, une sphère est une surface constituée de tous les points situés à une même distance d'un...) lumineuse d'une vingtaine de centimètres de diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la sphère. Le diamètre est aussi la longueur de ce segment. Pour...) qui apparaîtrait au cours d'un orage. Encore aujourd'hui les connaissances à son sujet sont assez fragmentaires. Cependant la foudre en boule peut être produite selon la théorie chimique imaginée par les chercheurs néo-zélandais John Abrahamson et James Dinnis[réf. nécessaire]. Les premières petites foudres en boules auraient été créées par des scientifiques brésiliens de cette façon:

  1. Un arc électrique créé entre deux électrodes vaporise du silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.) pur
  2. En se refroidissant, le nuage de silicium se contracte en une sphère plus compacte.
  3. Le silicium se combine à l'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.) de l'air. Une réaction chimique dégage de l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) donnant une température estimée de 1700°C à ces boules de feu (Le feu est la production d'une flamme par une réaction chimique exothermique d'oxydation appelée combustion.) produites par les chercheurs brésiliens. Trois fois moins que la température de surface du Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification...) ( selon le magazine Science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire Le Robert, « Ce que l'on sait pour l'avoir appris, ce que l'on...) et Vie Junior, no. 213, juin 2007). Les boules de foudre tournent généralement sur elles mêmes juste au dessus du sol puis disparaissent ou partent dans tous les sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une évolution progressive allant du...)[1].


Dangers

Il y a quelques 2000 orages dans le monde entier à chaque instant (L'instant désigne le plus petit élément constitutif du temps. L'instant n'est pas intervalle de temps. Il ne peut donc être considéré comme une durée.). Ces orages produisent entre 30 et 100 éclairs nuage-sol par seconde ou environ 5 millions d'éclairs par jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début...).[2]

Les dangers de la foudre sont définis par :

  • Les effets directs (thermoélectriques) : la circulation (La circulation routière (anglicisme: trafic routier) est le déplacement de véhicules automobiles sur une route.) d'un très fort courant électrique (Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge électrique, généralement des électrons, au sein d'un matériau conducteur. Ces déplacements sont...) échauffe la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état...) et cause des dommages mécaniques souvent très importants, voire spectaculaires. Chaque année, en France, entre un et deux millions de coups de foudre sont notés, ce qui détruit 250 clochers[réf. nécessaire] et provoque 15 000 incendies[3].
  • Les effets indirects (électromagnétiques) : le courant de foudre induit (L'induit est un organe généralement électromagnétique utilisé en électrotechnique chargé de recevoir l'induction de l'inducteur et de la transformer en électricité (générateur) ou en force (moteur).) d'une part une tension (La tension est une force d'extension.) de mode commun (U = R I+ L dI/dt) et un champ électromagnétique (Le champ électromagnétique est le concept central de l'électromagnétisme. On le conçoit souvent comme composition des deux champs vectoriels que l'on peut mesurer indépendamment : le champ électrique E et le champ magnétique B. Mais...) d'une exceptionnelle intensité. Il s'ensuit la génération d'impulsions électriques parasites très puissantes, qui sont majoritairement en cause dans les dégâts (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 (Un moteur est un dispositif transformant une énergie non-mécanique (éolienne, chimique, électrique, thermique par exemple) en une énergie mécanique ou travail.[réf. nécessaire]), fours...).
  • La conduction[4]: Pourquoi nos vaches craignent elles la foudre ? Le foudroiment direct d'animaux (ou personnes) est très rare. Cependant lorsque la foudre frappe la terre, les charges électriques se dissipent dans le sol et créent une tension électrique plus ou moins importante suivant la nature de celui-ci (sa résistivité) et de la distance à l'impact, un courant pouvant alors passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) dans les membres inférieurs. Ce phénomène est appelé "tension de pas".

Détection

Il existe différents systèmes de détection de la foudre:

  • Le moulin (Un moulin est une machine à moudre les grains de céréale en farine et, par analogie, une machine à broyer, piler, pulvériser diverses substances et à extraire certains produits (huile, pommes, poudre, épices,...) a champ est un instrument de mesure (En physique et en sciences de l’ingénieur, mesurer consiste à comparer une grandeur physique qui caractérise un objet (ou un événement) avec celle de même nature choisie comme unité de mesure. La valeur numérique de...) d'un champ électrique statique (Le mot statique peut désigner ou qualifier ce qui est relatif à l'absence de mouvement. Il peut être employé comme :). En météorologie, cet intrument 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.
  • Réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit rets », c'est-à-dire un petit filet), on appelle nœud (node)...) d’antennes réceptrices qui reçoivent le signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux lumineux sont employés...) radio généré par la décharge. Chacune des antennes en tire la direction d’où vient la foudre et son intensité. Par triangulation (En géométrie et trigonométrie, la triangulation est une technique permettant de déterminer la position d'un point en mesurant les angles entre ce point et d'autres points de référence dont la...) des directions, on peut ensuite déduire la position.
  • Système mobile qui n’utilise qu’une antenne (En radioélectricité, une antenne est un dispositif permettant de rayonner (émetteur) ou de capter (récepteur) les ondes électromagnétiques.) 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 (Perte d'intensité et amplitude d'un signal...) de l'amplitude du signal.
  • Détection par satellite artificiel (Un satellite artificiel est un appareil issu de l'activité de l'Homme et mis en orbite par lui. Ces termes désignent donc un objet humain envoyé dans l'espace et animé d'un mouvement...) 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 (Météo-France est l'organisme français de météorologie, un établissement public administratif, chargé de la prévision et de l'étude des phénomènes météorologiques. Il est...) et le National Weather Service américain pour suivre les orages et prévenir les populations. D'autres utilisateurs privés et gouvernementaux les utilisent également, notons en particulier: les services de préventions des feux de forêts, les services de transport d'électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la matière, se manifestant par une énergie. L'électricité désigne également la branche de la physique qui étudie les phénomènes électriques...), comme Hydro-Québec (Hydro-Québec est une société d'État appartenant au gouvernement du Québec. Elle est responsable de la production, du transport et de la distribution de l’électricité au Québec. Son siège social est situé à...), et les usines d'explosifs.

Le repérage par satellite (Satellite peut faire référence à :) est en développement, il a un meilleur taux de détection mais les données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) sont rapportées à intervalles de 5 à 10 minutes ( Forme première d'un document : Droit : une minute est l'original d'un acte. Cartographie géologique ; la minute de terrain est la carte originale, au crayon, levée sur le terrain. ...) et non en continu. Les systèmes mobiles sont utilisés par l’industrie du transport aérien (Le transport aérien est le secteur économique qui regroupe toutes les activités de transport en avion ou en hélicoptère.) à bord d’avions afin de détecter les orages et de les éviter.

Protection

Éclair frappant la Tour Eiffel en 1902
Éclair frappant la Tour Eiffel (La tour Eiffel, initialement nommée tour de 300 mètres, est une tour de fer puddlé construite par Gustave Eiffel et ses collaborateurs pour l'Exposition universelle de Paris de...) 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 non fonctionnels.

Le paratonnerre (Le paratonnerre est un dispositif inventé en 1752 par Benjamin Franklin. Il était conçu à l'origine afin d'« écouler à la terre le fluide électrique...) va faciliter le chemin du canal foudre par effet de pointe, à condition d'être en présence d'un coup de foudre descendant dont le précurseur avance par bonds successifs et seul sensible à l'effet de pointe (90% des coups de foudres dans nos régions). Il est, ensuite, très important d'assurer une continuité (En mathématiques, la continuité est une propriété topologique d'une fonction. En première approche, une fonction est continue si, à des variations infinitésimales de la variable x,...) 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.

Un bon dispositif extérieur de protection d'une installation contre la foudre est constitué de 3 composantes :

  1. Un dispositif de capture (Une capture, dans le domaine de l'astronautique, est un processus par lequel un objet céleste, qui passe au voisinage d'un astre, est retenu dans la gravisphère de ce dernier. La capture de l'objet...), qui peut prendre plusieurs formes : fils tendus, paratonnerres, 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 prise de terre, constituée 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 de terre (typiquement, moins de 10 Ohm), 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 (La Jonction est un quartier de la ville de Genève (Suisse), son nom familier est "la Jonquille") entre le dispositif de capture et la prise de terre.

Cet ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un tout », comme...) de conducteurs doit être interconnecté correctement et durablement.

Le dimensionnement d'un dispositif extérieur de protection foudre est régi par la norme (Une norme, du latin norma (« équerre, règle ») désigne un état habituellement répandu ou moyen considéré le plus souvent comme une règle...) NF C 17-100, qui propose une méthode d'analyse de risque à partir de paramètres tels que la sensibilité d'une installation (présence de matières dangereuses (Les matières dangereuses sont des matières ou objets qui présentent un risque pour la santé, la sécurité, les biens ou l'environnement....), risque de panique, ...) 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. 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.

On notera toutefois que ce dimensionnement ne prend pas en compte les effets indirects de la foudre sur une installation, même équipée d'un dispositif extérieur limitant le risque d'impacts directs sur l'installation. En effet, la circulation du courant foudre sur les conducteurs du dispositif génère un champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée par la donnée d'une intensité et d'une direction,...) 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 réduit ainsi les niveaux de champs à proximité des conducteurs et si le courant est bien réparti autout de l'installation à protéger, on obtient également un 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 constuctions en béton armé (Le béton armé est un matériau composite constitué de béton et d'acier qui allie la résistance à la compression du béton à la résistance...) (soudure des croisements et des chevauchements de fers) de manière à constituer un meilleur écran (Un moniteur est un périphérique de sortie usuel d'un ordinateur. C'est l'écran où s'affichent les informations saisies ou demandées par l'utilisateur et générées ou restituées...) 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, chassis des armoires et des équipements électriques, ...) au moyen de tresses de masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force...) 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.

Enfin, 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 (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme...) et la position des câbles jouent en effet un rôle primordial. On pourra se référer à la norme NF EN 61643-11 pour le choix des caractéristiques de ces composants et au guide UTE C 15-443 pour des informations sur leur intégration dans une installation électrique.

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 (La notion de territoire a pris une importance croissante en géographie et notamment en géographie humaine et politique, même si ce concept est utilisé par d'autres sciences humaines....) par un nombre immense de paratonnerres, mais elle serait très peu productive. En effet un éclair est un phénomène ponctuel (En géométrie, un point est le plus petit élément constitutif de l'espace de travail.) dégageant une grande puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) 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 chiffré est de quelques centaines de kilowatts-heure par choc de foudre (environ 280 kWh, en incluant l'énergie de l'onde rayonnée magnétiquement). Il y a entre 1 et 2 millions de chocs par an en France. Ainsi, si cette énergie était récupérée et partagée entre les 65 millions d'habitants de ce pays (Pays vient du latin pagus qui désignait une subdivision territoriale et tribale d'étendue restreinte (de l'ordre de quelques centaines de km²), subdivision de la civitas gallo-romaine. Comme la civitas qui subsiste le plus...), chacun obtiendrait une part de l'ordre de 6 kWh par an, équivalent de seulement trois heures (L'heure est une unité de mesure  :) d'utilisation d'un four (Un four est une enceinte maçonnée ou un appareil, muni d'un système de chauffage puissant, qui transforme, par la chaleur les produits et...).

Notes

  1. (fr) Foudre en boule, Mai 2006, Science et Vie, p. 102. Consulté le 2007-06-21
  2. Questions fréquemment posées sur la foudre par Ressources naturelles Canada, accédé le 10 août 2006
  3.  [pdf]Le risque foudre et les Installations Classées pour la Protection de l’Environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les...), INERIS
  4. Les 20 recommandations en cas d'orages par l'Association de protection contre la foudre, accédé le 10 août 2006

Bibliographie

  • Bouquegneau,Christian, Doit-on craindre la foudre ? éditions EDP Sciences, coll. Bulles de sciences, 18 €.
  • Uman, M.A., Lightning. McGraw Hill, New York (New York , en anglais New York City (officiellement, City of New York) pour la distinguer de l’État de New York, est la principale ville des États-Unis, elle compte a elle seule...), NY., 1969.
  • Uman, M.A., All about lightning. Dover Publications, Inc., New York, NY. 1986
  • Uman, M.A., The lightning discharge. Academic Press, Orlando (Floride), 1987.
  • Williams, E.R., The electrification of thunderstorms. Scientific American 259(5). 1988.
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