La foudre est un phénomène naturel de décharge électrostatique disruptive qui se produit lorsque de l'électricité statiques'accumule entre des nuages d'orage, ou entre un tel nuage et la terre.
La différence de potentiel électrique entre les deux points peut aller de 10 à 20 millions de volts1 et produit un plasma lors de la décharge, causant une expansion explosive de l'air par dégagement de chaleur.
En se dissipant, ce plasma crée un éclair de lumière et le tonnerre2.
La foudre a tendance à frapper de préférence les régions de haute altitude et les objets proéminents par effet de pointe.
Le tonnerre peut résonner d'un craquement sec lorsque l'éclair est proche ou gronder au loin.
Comme la lumière voyage beaucoup plus vite que le son, l'éclair est visible avant que le tonnerre ne soit audible, ce qui permet d'estimer la distance à laquelle la foudre est tombée3.
Elle présente de nombreux dangers...électrocution, déclenchement d'incendie, interférences électromagnétiques nuisibles à l'aviation et à la navigation, etc.
C'est pourquoi, plusieurs techniques ont été développées pour la détecter et la canaliser afin de protéger les êtres vivants et les équipements.
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 géant4.
Une différence de température importante entre le bas et le haut du nuage, induisant de violents dépl'acements 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 différent...
Négatif à sa base et positif à son sommet (cette configuration semble apparaître dans 80 à 90% des cas, les 10 à 20% restants donnent un nuage positif à sa base)5. Il s'ensuit un champ électrique très important.
L'électrisation du nuage d'orage est basée sur deux phénomènes : 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 bas4.
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.
La Convection
Les ions libres dans l'atmosphère sont captés par les gouttelettes dans le nuage qui sont ensuite déplacées dans les courants verticaux créés par le mécanisme de la convection.
Ceci produit des accumulations de charges différentes selon l'altitude dans le nuage4.
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 avoisinants.
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.
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
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 conduisant à un rééquilibre électrostatique (généralement une petite décharge de 50 à100 mètres de longueur à la base du nuage, vers le bas mais un tiers de ces décharges proviennent du sol et montent vers les nuages et sont généralement visibles lors de gros orages).
Foudre Positive Ou Négative
La décharge peut être positive ou négative4.
Si le coup est négatif, la décharge se passe du bas du nuage chargé négativement vers le sol 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 μs succèdent des décharges d’attaque plus raides et de descentes plus douces.
Si le coup est positif, le bas du nuage est chargé positivement. Une seule décharge apparaît durant de 0,1 à 0,2 s.
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.
Tracé
Ce qui se passe pour un éclair nuage-sol se fait en trois étapes2,6.
La décharge arrache des électrons aux molécules de l'air, créant ainsi un canal ionisé appelé traceur ou précurseur qui transporte une faible charge électrique, 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. Ce précurseur progresse par bonds (d'où le nom de traceur par bonds) de longueurs proportionnelles à l'amplitude de la décharge.
Le traceur est le plus souvent à multiples branches, la progression vers le sol correspondant au chemin de moindre résistance.
Les charges positives accumulées sous l'orage, en réponse à l'approche de la charge négative des précurseurs, ont tendance à se concentrer sur des objets élevés et pointus, tels que les arbres, les poteaux et les bâtiments, un phénomène que tentent d'exploiter les paratonnerres.
Cela initie à un certain moment un traceur vers le nuage.
Quand les deux se rejoignent, en général à moins de 100 mètres du sol, un arc électrique en retour se déclenche, utilisant le canal du précurseur (traceur en dard).
Il libère les charges électriques accumulées et donne l'éclair proprement dit...
Le courant se propage alors à une vitesse qui peut atteindre 100 000 km/s7.
Les décharges entre nuages se produisent de façon similaire en utilisant les 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.
Le processus de formation de la foudre peut atteindre une vitesse de 40 000 km/s ; la décharge passe dans un canal qui a entre50 mètres et 25 km de longueur et environ 3 cm de diamètre7.
La foudre s'accompagne d'une onde acoustique, le tonnerre. Cette onde est engendrée par la dilatation brutale de l'air surchauffé par l'arc électrique2,7. Elle peut consister en un bruit sec ou un roulement sourd selon la distance séparant l'auditeur de la foudre.
Phénomènes lumineux transitoires.
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.
Des positrons ont été accidentellement détectés (en 2009) autour d'un avion volant à l'intérieur d'un nuage d'orage16.
La foudre provoque également des parasites atmosphériques qui peuvent perturber les télécommunications.
Différents Types De Foudre
Éclairs Intra & Inter-nuages
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.
Commentaire de laloracorse2 (15/03/2017 11:17) :
