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La foudre

Introduction

Lorsque de l'air anormalement froid recouvre de l'air anormalement chaud, les conditions sont favorables au déclenchement des orages. De violents courants d'air verticaux entraînent l'humidité, les fragments de glace, les grêlons et les gouttelettes d'eau à l'intérieur du nuage.

L'on ne connait pas encore exactement les mécanismes à l'origine de la tension qui se forme dans les nuages d'orage. Cela tient au fait que la physique des éclairs et des orages englobe 15 ordres de grandeur différents. A l'une des extrémités de l'échelle se trouvent les phénomènes nucléaires qui déclenchent le processus d'électrisation des nuages, des «jeux» de particules de l'ordre du millionième de millimètre; à l'autre, les courants ascendants et descendants provoqués par les cumulonimbus en pleine maturité, qui complètent la charge électrique et s'étendent sur des dizaines, voire des centaines de kilomètres.

Structure électrique du nuage

Les champs électriques d'un nuage d'orage sont alimentés essentiellement par deux facteurs :

• la force des ascendances et des descendances, dont la vitesse peut dépasser 25 m/s;
• la présence simultanée dans le nuage de particules de glace lourdes et légères

Dans les zones à fortes turbulences, les particules lourdes (grésil ou grêlons) se heurtent aux cristaux infimes de glace. Lorsque ces chocs se produisent 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.

Le nuage comprend donc une couche médiane négative située à une hauteur de quelque 6 km limitée vers le haut et le bas par des couches positives. Le couvercle de la charge positive supérieure s'étend souvent jusqu'à la tropopause, voire est séparé de celle-ci par une mince couche de charge négative qui pourrait être due à l'irradiation cosmique.

Les contraires s'attirent

Il y a donc déséquilibre entre les charges électriques à l'intérieur du nuage ainsi qu'à l'extérieur, entre la base négative du nuage et le sol positif. Quand les charges accumulées deviennent trop importantes, et surtout lorsqu'il y a opposition directe entre ces charges, il y a décharge électrique (éclair) et un orage éclate.

L'éclair

Son déclanchement

Deux charges électriques opposées sont fortement attirées l'une vers l'autre. Au bout d'un moment, la couche d'air intermédiaire, isolante, ne peut plus empêcher les charges de se rejoindre, et une décharge électrique a lieu (ionisation). Les charges négatives dans la partie basse du nuage se déplacent vers les charges positives de la terre selon un parcours aléatoire en zigzag (invisible) appelé traceur par bonds ou amorce échelonnée (Le traceur par bonds met un centième de seconde pour arriver au sol et se déplace à environ 200 km/s).

Par bonds successifs, l'éclair pilote, sorte de boyau rempli d'électrons, descend en direction de la terre en suivant la plus forte intensité de charge. Quand il atteint les derniers décamètres qui le séparent de la Terre, une décharge (autre boyau similaire) partant d'un point du sol monte à sa rencontre. Lorsque la liaison s'établit entre les deux boyaux se produit ce qu'on appelle la décharge principale, un courant circulant du sol vers le ciel tantôt suivi de plusieurs post-décharges.

Cette charge positive se propage extrêmement vite. Tout cela se répète rapidement dans le même coup de foudre, ce qui donne à l'éclair son apparence vacillante. Le processus continue jusqu'à ce que toutes les charges se soient dissipées.

La plus-part des coups foudre qui ont lieu se produisent entre nuages. Toutefois, s'il y a assez de charges dans l'air, la décharge s'effectuera entre un nuage et le sol. Seul un coup de foudre sur quatre frappe le sol. 90% des éclairs nuage/Terre s'allument dans la couche chargée négativement. Si celle-ci est chassée par le vent, des éclairs nuage/Terre peuvent également s'échapper de la zone supérieure, qui est de charge positive. Mais des éclairs peuvent aussi se précipiter vers un nuage en partant de points élevés d'un relief. L'intensité du courant augmente à la puissance cinq en fonction de l'importance de l'orage. Les gros orages peuvent déclencher plus de 100 éclairs à la minute.

Différents noms d'éclairs

• Fulminants: en sillons qui ne sont ni rectilignes ni en zigzag, mais courbés avec des arrondis graduels.
• Ramifiés: lorsqu'ils se subdivisent en plusieurs branches.
• Sinueux: lorsqu'ils ont de nombreux traits et segments assez apparents.

En fait, ces trois appelations réfèrent à l'éclair fulminant.

Longueur de la trajectoire d'un éclair

La longueur des éclairs peut aller de 100 m à 20 km dans le cas de l'éclair sinueux. Sa vitesse atteint 40000 km/s, donc un peu plus d'un dizième de la vitesse de la lumière. Sont épaisseur est d'environ 3 cm.

Température de l'air autour de l'éclair

La température de l'air est très élevée, environ 30000 degrés (5 fois la température du soleil!) le long du trajet de l'éclair. (L'air traversé par l'éclair est "grillé"!).

Energie dégagée par l'éclair

On connaît aujourd'hui la puissance de la foudre: un courant de 30000 ampères correspondant à une tension de 100 millions de volts.

Couleur d'un éclair

La couleur de l'éclair nous informe sur la composition de l'air ambiant. Un éclair rouge indique de la pluie dans l'air. Un éclair bleu la présence de grêle. Un éclair jaune est un signe d'une quantité importante de poussière dans l'atmosphère. Un éclair blanc est signe d'un air très sec.

Éclairs de chaleur

Vous avez déjà vu des éclairs sans avoir entendu le tonnerre qui l'accompagne? Ce genre d'éclair est souvent appelé "éclair de chaleur".

Les "éclairs de chaleur" sont en fait produit par des orages lointains... si loin que vous pouvez voir l'éclair mais le tonnerre ne peut se rendre à l'endroit ou vous trouvez.

Voici pourquoi: la vitesse de la lumière (300 000 000 m/s) est extrêmement rapide par rapport à celle du son (300 m/s) (1 milion de fois plus rapide pour être plus précis). De plus, le coup de tonnerre et son onde se dissipent plus facilement en se propageant et, lorsqu'on est trop loin, le tonnerre ne se fait plus entendre.

Quelques statistiques

Il y a environ 20 millions d'orages par an. (50000 par jour).

Diamètre d'un orage: 15 à 25 km.

Extension verticale 10, 12 ou 15 km.

Durée 1 ou 2 heures (ou plus si bien violent).

À tout moment, 100 éclairs frappent la surface terrestre: total annuel mondial: 32,000,000 éclairs

Le tonnerre

C'est le sous-produit de la foudre. Tout au long de la trajectoire de l'éclair, d'une largeur de quelques centimètres, en traversant les molécules de l'atmosphère, les réchauffent et catapultent leurs électrons hors de leurs orbites. La dilatation subite du canal d'air causée par le réchauffement forme des ondes de surpression : ces ondes de choc sont comparables à celles qui sont formées par un coup de canon. L'air dans le canal est dilaté.

Le tonnerre est donc dû à l'expansion explosive qui accompagne une montée soudaine et rapide de la température. Lorsque l'éclair est court et droit, les ondes sont perçues sous la forme d'un seul coup de tonnerre. Mais si le trajet est long et ramifié, on entend alors une succession de grondements (parce que l'éclair frappe à une distance qui est souvent à plusieurs kilomètres de son point de départ, alors qu'il faut environ 3 secondes pour que le son parcoure un kilomètre.) Plus l'orage est loin, plus le tonnerre est perçu comme un grondement; plus il est rapproché, plus il ressemble à un claquement sec.

Chaque électron arraché à sa propre orbite est rapatrié sur une autre orbite par un noyau d'atome; l'énergie acquise précédemment est alors émise par l'électron sous forme de particules lumineuses: nous voyons l'air s'illuminer. Les trois quarts des éclairs projettent leurs lueurs à l'intérieur des nuages, un quart entre les nuages et la Terre.

Evaluation de la distance d'un orage

On voit tout d'abord l'éclair, puis on entend le tonnerre, tout simplement parce que la lumière voyage environ 1 million de fois plus vite que le son. (vitesse du son = 337 m/s; vitesse de la lumière = 300000 km/s). On peut évaluer la distance de l'orage de 2 façons:

- En comptant le nombre de secondes qui séparent la vision de l'éclair et le bruit du tonnerre et en divisant ce nombre par 3, on aura la distance nous séparant de l'orage en kilomètres. (Par exemple, si 6 secondes séparent l'éclair du tonnerre, alors on sait que l'orage est situé à 2 km de lieu où l'on est.)

- En comptant le nombre de secondes qui séparent la vision de l'éclair et le bruit du tonnerre et en multipliant ce nombre par 300, on aura la distance nous séparant de l'orage en mètres.

Les dangers de la foudre

Si les éclairs sont aussi dangereux, c'est qu'ils déclenchent une puissance de destruction quadruple: des ondes de courant, de chaleur et de pression ainsi qu'un effet électromagnétique à distance. Un éclair qui touche une ligne de courant en tombant sur une maison peut griller l'ensemble des appareils électriques. Par sa chaleur, il peut incendier des maisons, surtout si celles-ci sont en bois. A cela vient s'ajouter la force explosive énorme de l'éclair: à haute température, l'air et l'humidité se dilatent instantanément. L'éclair peut abattre un arbre gigantesque ou une tour dont les murs sont humides comme si l'on avait placé en leur centre une puissante charge de dynamite. L'onde de pression, équivalente à 50 atmosphères, peut catapulter des personnes en l'air sur plusieurs mètres. Enfin, l'effet électromagnétique à distance peut avoir des conséquences particulièrement dévastatrices sur nos electroniques : le courant induit peut détruire une puce électronique même à quelques centaines de mètres de distance.

En france il y a 40 morts foudroyés par an.

Comment se protéger de la foudre

Que faire lorsqu'on est surpris par un orage et que l'on se trouve à l'extérieur ? Le mieux est de se réfugier dans un bâtiment ou une voiture. Si ce n'est pas possible, il faut s'éloigner des arbres isolés, des sommets ou des arêtes, car la foudre frappe le plus souvent le point le plus élevé qu'elle trouve dans la région. En forêt, les arbres les plus hauts constituent un danger plus grand que les petits, surtout s'ils se trouvent à la lisière. La décharge de l'éclair se propage dans le sol dans toutes les directions et produit des tensions qui ne s'atténuent progressivement qu'avec la distance. Il ne faut donc jamais se coucher sur le sol lorsqu'un orage éclate, mais se mettre en position accroupie, bras et jambes repliés, de préférence dans une cuvette au sol sec.

Si quelqu'un est frappé par la foudre et perd connaissance, le bouche-à-bouche peut le sauver de l'étouffement. Souvent, la décharge électrique de l'éclair atteint le cerveau primaire, qui gouverne la motricité des poumons. Le bouche-à-bouche permet de soutenir l'action des poumons jusqu'à que le cerveau reprenne son fonctionnement normal.

Les autres formes d'électricité atmosphérique

Il existe deux autres formes d'électricité atmosphérique.

Foudre en boule ou clobulaire

A ce jour, toutes les connaissances sur la foudre globulaire proviennent des milliers de témoignages visuels. Elle se présente sous la forme d'une sphère lumineuse qui apparaît lors d'un orage, d'un diamètre compris entre cinq et trente centimètres. Elle peut persister jusqu'à cinquante secondes mais sa durée de vie moyenne est de l'ordre de quinze secondes. Tantôt elle s'évanouit simplement, tantôt elle explose. Blanche ou jaune, elle éclaire un peu moins qu'une ampoule de 100 watts. Caractéristique curieuse : elle semble souvent flotter au-dessus du sol et sa trajectoire reste imprévisible. Dotée d'une formidable énergie, elle est capable de provoquer de nombreux dégâts.

Les explications qui sont avancées par certains chercheurs font intervenir la théorie des plasmas (la foudre globulaire serait assimilée à un plasma fortement ionisé), mais ne semblent pas encore suffisamment convaincantes : John Abrahamson et James Dinniss, de l'Université de Canterbury, en Nouvelle-Zélande, croient que les boules de feu sont formées de silicium en train de brûler. Selon eux, lorsque la foudre touche le sol, elle vaporise des particules de silicium, d'oxygène et de carbone, qui s'associent entre elles pour former de longues chaînes. Ces filaments, qui brûlent plutôt lentement, ont tendance à se replier sur eux-mêmes pour former des boules creuses qui dérivent au gré des vents.

Feu Saint-Elme

Parfois, quand l'accumulation des charges opposées est insuffisante pour déclencher un coup de foudre, une quantité d'étincelles bleues apparaissent en hauteur au sommet d'objets pointus à l'extrémité du nuage d'orage. Ce phénomène, remarqué très tôt au bout des vergues et en haut des mâts des navires, fut appelé feu Saint-Elme, du nom du saint patron des marins.

Des éclairs filmés de la navette spatial.

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