Foudre

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La foudre est un phénomène naturel de décharge électrostatique disruptive.

Sommaire 1 La charge 1.1 La gravitation 1.2 La convection 2 La décharge 2.1 Couleur 2.2 Fréquence 2.3 Tonnerre 2.4 Autres effets 2.5 Distance 3 Différents types de foudre 3.1 Éclairs intra-nuageux et inter-nuageux 3.2 Éclairs nuage-sol 3.3 Foudre en boule 4 Dangers 4.1 Détection 4.2 Protection 4.3 Normalisation en France 5 Énergie 6 Armement 7 Arts 8 Notes et références 9 Bibliographie 10 Voir aussi 10.1 Articles connexes 10.2 Liens externes

[modifier] 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 ou l'ajout d'électrons, selon le signe;
• L'air (et tout ce qu'il contient) étant électriquement chargé, il se crée dans le nuage des zones à potentiel électrique différents : négatif à sa base et positif à son sommet. Il s'ensuit un champ électrique très important.

L'électrisation du nuage d'orage est basée sur deux phénomènes : la gravitation et la convection.

[modifier] La gravitation

Les gouttes de pluie, les grêlons et les particules de grésil (de petits grains de glace) tombent par gravité vers le bas du nuage, au-dessous des gouttes d'eau et des cristaux de glace de taille inférieure qui restent en suspension. Lorsque les grosses particules entrent en collision avec les cristaux de glace à une température inférieure à une limite critique, autour de -15° C, les grains de grésil se chargent négativement, et positivement si cette température est supérieure à ladite limite. Comme les grains tombent plus rapidement que les cristaux, ils transportent depuis les zones supérieures du nuage, où les températures sont inférieures à -15° C, des charges négatives vers le bas. Le seuil des -15° C dépassé, celles-ci deviennent positives. On obtient alors une structure tripolaire du nuage avec une couche médiane chargée négativement entourée de deux couches positives. Cependant les chocs entre particules ne sont pas seuls à l'origine de l'électrisation du nuage.

[modifier] La convection

La théorie de la convection veut que les ions libres dans l'atmosphère soient captés par les gouttelettes dans le nuage et 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 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.

[modifier] La décharge

Lorsque ce champ électrostatique dépasse les limites diélectriques de l'air (variables selon les conditions d'humidité et de pression), il s'ensuit la décharge de foudre visant à un 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 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.

[modifier] Couleur

Le long du chemin parcouru, 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 soudaine de lumière que l'on observe. Ce phénomène lumineux est appelé « éclair ». La couleur de cet éclair dépend de plusieurs facteurs : la densité de courant, la distance de l'observateur à l'éclair et les différentes particules présentes dans l'atmosphère. Cependant, en général, la couleur de l'éclair est blanche dans un air sec, jaune en présence d'une grande quantité de poussière, rouge en cas de pluie et bleue en présence de grêle.

[modifier] Fréquence

• La foudre est l'objet d'études statistiques car il y a de nombreuses différences de caractéristiques (amplitude, durée, nombre d'arcs en retour) suivant le coup de foudre (intra-nuage, nuage-sol, positif, négatif).
• 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 sur quatre se font entre nuages, mais 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 entendue 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.

On voit dans l'image de droite que le taux de foudre est généralement relié à la latitude et la proximité de l'humidité. Ainsi les zones équatoriales ont la plus grandes densités, particulièrement les zones côtières. On ne devrait pas en être surpris puisque les orages qui produisent la foudre sont générés par une instabilité de l'atmosphère et une humidité de bas niveau. Ainsi les zones équatoriales ont plus de chances d'être chaudes et humides à l'année que les zones polaires.

Naturellement, les conditions à l'échelle synoptique organisent la convection également. Ce n'est pas partout à l'équateur où les conditions sont favorables à la formation des orages. Ainsi, la zone de convergence intertropicale, où convergent les alizés, donne le soulèvement nécessaire pour la formation d'orages assez continuels mais au nord et au sud de celle-ci on a un mouvement descendant de l'air qui dégage le ciel. De la même manière, les eaux des courants marins froids inhibent les orages (ex. côte ouest de l'Amérique du Nord et du Sud) alors que les eaux chaudes les favorisent (ex. le Gulf Stream où se déplacent les ouragans).

[modifier] 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 selon la distance séparant l'auditeur de la foudre.

[modifier] Autres effets

La foudre peut s'accompagner, dans les cas de fortes décharges, de phénomènes lumineux secondaires en haute altitude. La brièveté de ces flashs, ainsi que leur altitude (mésosphère et ionosphère), ont repoussé leur découverte par les scientifiques à ces dernières décennies.

[modifier] 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. 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 qui modifient la propagation du son).

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 que le temps qu'elle met à nous parvenir devient négligeable devant celui du tonnerre.

Aussi, cette distance est surévaluée, car dans un premier temps la vitesse des ondes sonores est supérieures à 340 m/s. En effet, autour de l'arc électrique l'air est ionisé, changeant ainsi la vitesse de l'onde sonore.

[modifier] Différents types de foudre

[modifier] Éclairs intra-nuageux et inter-nuageux

La disposition des charges électriques dans l'orage, tel qu'expliquée antérieurement, crée des différences de potentiel entre le sommet, le centre et la base de l'orage. Lorsque le potentiel est suffisamment grand, l'air entre ces différents niveaux n'est plus assez isolant et un claquage se produit. La foudre alors générée peut se produire entre les différentes parties du nuage ou entre des nuages voisins.

Comme ces couches sont plus près en général entre elles qu'elles ne le sont du sol, ce genre d'éclairs sera le premier à se produire. À mesure que l'orage prend de l'extension verticale et que le potentiel augmente, la foudre nuage-sol prendra le dessus sans jamais être la seule. Le changement de proportion entre le type inter/intra-nuageux et nuage-sol est donc une indication du stade de développement du cumulonimbus.

[modifier] Éclairs nuage-sol

Il existe deux types de foudre nuage-sol : soit descendant(sommet du nuage vers le sol) ou soit ascendant(sol vers base du nuage). Le type descendant est le plus fréquent mais un basculement de ce type vers le type ascendant est souvent indicatif de temps violent car le nuage est alors particulièrement développé. Le type ascendant se produit également souvent à l'avant du nuage proprement dit, car il part de l'enclume ce qui peut surprendre les gens qui se pensent à l'abri en voyant l'orage dans le lointain. Le type ascendant est le plus fréquent dans le cas de coup de foudre sur des structures de grande hauteur (tour, pylône).

Éclair intra-nuageux au dessus de Toulouse	Éclair inter-nuageux au Maroc	Éclair nuage-sol à Alger	Éclair nuage-sol près d'Issoudun

[modifier] Foudre en boule

La foudre en boule, ou foudre globulaire, est un phénomène météorologique rare. Elle se présenterait sous la forme d'une sphère lumineuse d'une vingtaine de centimètres de diamètre 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 pur
2. En se refroidissant, le nuage de silicium se contracte en une sphère plus compacte.
3. Le silicium se combine à l'oxygène de l'air. Une réaction chimique dégage de l'énergie donnant une température estimée de 1700°C à ces boules de feu produites par les chercheurs brésiliens. Trois fois moins que la température de surface du Soleil ( selon le magazine Science 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^[1].

[modifier] Dangers

Il y a quelques 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.^[2]

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, 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 d'une part une tension de mode commun (U = R I+ L dI/dt) et un champ électromagnétique d'une exceptionnelle intensité. Il s'ensuit la génération d'impulsions électriques parasites très puissantes, qui sont statistiquement majoritairement en cause dans les dégâts. Ces parasites suffisent en effet à dégrader des matériels électroniques sensibles (téléviseurs, ordinateurs, etc.) même si l'éclair est éloigné. Si l'éclair est plus proche, le parasite peut aussi détruire des matériels plus résistants (lampes, moteurs, fours...).

• La conduction^[4] : Pourquoi nos vaches craignent elles la foudre ? Le foudroiement direct d'animaux (ou personnes) est très rare. Cependant lorsque la foudre frappe la terre, les charges électriques se dissipent dans le sol 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 dans les membres inférieurs. Ce phénomène est appelé « tension de pas » ^[5].

[modifier] Détection

Il existe différents systèmes de détection de la foudre:

• Le moulin a champ est un instrument de mesure d'un champ électrique statique. 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 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.
• 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.
• Détection par satellite artificiel des éclairs lumineux produits par les orages.

Les réseaux de détecteurs de foudre sont utilisés par les services météorologiques comme le Service météorologique du Canada, Météo-France et le National Weather Service américain pour suivre les orages et prévenir les populations. D'autres utilisateurs privés et gouvernementaux les utilisent également, dont en particulier les services de préventions des feux de forêts, les services de transport d'électricité, comme Hydro-Québec, et les usines d'explosifs.

Le repérage par satellite est en développement, il a un meilleur taux de détection mais les données sont rapportées à intervalles de 5 à 10 minutes et non en continu. Les systèmes mobiles sont utilisés par l’industrie du transport aérien à bord d’avions afin de détecter les orages et de les éviter.

[modifier] Protection

La foudre est comme issue d'un générateur parfait de courant. Une des méthodes de protection est donc de faciliter la circulation des charges électriques vers la terre au moyen de conducteurs non fonctionnels.

Le paratonnerre va faciliter le chemin du canal foudre par effet de pointe. Le paratonnerre sera efficace à condition d'être en présence d'un coup de foudre descendant dont le précurseur avance par bonds successifs^[6] ; ce qui est le cas dans 90% des coups de foudres. Il est, ensuite, très important d'assurer une continuité électrique de grande capacité jusqu'à la terre.

Ce procédé ne garantit pas l'interception d'un arc électrique, qui peut tomber juste à proximité. Pour cette raison, les constructions industrielles sensibles sont équipées de nombreuses pointes et filins conducteurs. Il est aussi conseillé de réaliser l'interconnexion de toutes les parties conductrices présentes aux abords (par exemple les conduites d'eau) avec ce circuit de descente de foudre.

Un bon dispositif extérieur de protection d'une installation contre la foudre est constitué de trois 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 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^[7], 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 la prise de terre.

Cet ensemble de conducteurs doit être interconnecté 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 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 (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, chassis 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 poste en installant au dessus des conducteurs électrique de ces lignes des câbles de garde, qui en plus de leur rôle de support de communication (ils contiennent des fibres optiques), jouent un rôle de protection contre la foudre. Au delà de cette protection primaire, la protection des installations électriques contre les surtensions produites par la foudre sur les conducteurs actifs des liaisons électriques est réalisée par l'utilisation de composants parasurtenseurs (parafoudres, éclateurs à gaz, thermistances, diodes transil) qui ont pour but de court-circuiter les impulsions parasites cheminant sur les liaisons électriques en dérivant la majeure partie de l'énergie de l'impulsion directement vers la terre. Le bon câblage de ces composants est essentiel à leur efficacité. La longueur et la position des câbles jouent en effet un rôle primordial.

[modifier] Normalisation en France

Le dimensionnement d'un dispositif extérieur de protection foudre est régi en France par les normes NF EN 62 305 et NF C 17-100, 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, ...) 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.

L'analyse de risque proposée par la norme NF EN 62305-2 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, elle propose des solutions plus concrètes et est beaucoup plus exhaustive en termes de configurations d'installations que la norme NF C 17-100.

On notera également que la norme NF EN 62305-4 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 mais leur utilisation est 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 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 par parafoudres en entrée d'installation électrique, auquel cas c'est vers la norme NF EN 61643-21 qu'il conviendra de se tourner.

[modifier] Énergie

Un vieux rêve chimérique est de récupérer l'énergie de la foudre pour s'alimenter en électricité. Une telle récupération de l'énergie des éclairs est toujours apparue impossible, car non seulement elle nécessiterait la couverture de l'ensemble du territoire par un nombre immense de paratonnerres, mais elle serait très peu productive. En effet un éclair est un phénomène ponctuel dégageant une grande puissance mais sur une faible durée, l'énergie produite est donc relativement faible, même comparativement à d'autres énergies renouvelables. Pour prendre une image : en lançant très violemment l'eau d'un seau sur une vitre fine, on la brise. Cela ne signifie pas qu'il y avait beaucoup d'eau mais que l'eau allait très vite.

L'ordre de grandeur de l'énergie de la foudre est de quelques centaines de kilowatts-heure par choc (environ 280 kWh, en incluant l'énergie de l'onde rayonnée magnétiquement). 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, chacun obtiendrait une part de l'ordre de 6 kWh par an, équivalent de trois heures d'utilisation d'un four.

[modifier] Armement

Un autre fantasme est celui de domestiquer la foudre comme arme militaire. La fiction est pleine de références sur ce mythe (notamment la "centrale météo" génératrice de tempête du jeu Alerte rouge 2). Pour le moment, on ne sait si les expériences dans ce domaine ont été vraiment concluantes, et ce pour les raisons évoquées plus haut.

Dans la mythologie grecque, l'égide est cette arme avec laquelle Zeus lance des éclairs.

[modifier] Arts

[modifier] Notes et références

[modifier] Bibliographie

• Bouquegneau,Christian, Doit-on craindre la foudre ? éditions EDP Sciences, coll. Bulles de sciences, 18 €.
• Uman, M.A., Lightning. McGraw Hill, New York, 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.
• La Foudre : Nature - Histoire - Risques et Protection . 3^e ed. DUNOD 2004

[modifier] Voir aussi

[modifier] Articles connexes

• Détecteur de foudre
• Feu de Saint-Elme
• Zeus
• Fulgurite, du verre naturel.
• Orage
• Chasseur d'orages

[modifier] Liens externes

	Vidéo d'éclairs en zone urbaine (info)
	Les câbles du premier plan ne sont pas touchés; les éclairs sont plus éloignés
	Un problème pour lire la vidéo ? Voir l’aide.

• (fr) Quelle est l'origine des orages ? par le site CultureSciences-Physique de l'École normale supérieure de Lyon
• (fr) Questions fréquemment posées sur la foudre par le site gouvernemental de Ressources naturelles Canada.
• (en) Une association internationale pour les victimes de la foudre, la Lightning Strike and Electric Shock Survivors International World Conference
• (fr) Protection contre la foudre dans les installations BT
• (fr) Site explicatif avec une vidéo

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