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La foudre
Etat actuel de nos connaissances |
Eléments de statistiques
Le niveau kéraunique
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"Le nombre de jour par an où le tonnerre a été entendu" défini la notion de "niveau kéraunique". En France, le niveau kéraunique moyen est de 20. (30 dans les montagnes : Alpes, Massif Central, Pyrénées, et inférieur à 15 dans les régions côtières : Normandie, Bretagne.) Dans d'autres régions du monde il peut être considérable : 100 en Floride, 180 en Afrique du Sud ou en Indonésie. Cette notion est ancienne et rudimentaire. Il faudrait lui substituer la notion de densité de coup de foudre. En France cette densité serait de1 à 3 par km2 et par an.
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Nuages orageux
Les nuages orageux sont d'énormes masses généralement du type cumulo-nimbus, en forme d'enclume, occupant une surface de plusieurs dizaines de kilomètres carrés, ayant une épaisseur de plusieurs kilomètres. Leur volume peut dépasser mille kilomètres cube et leur masse est de l'ordre de centaines de milliers de tonnes d'eau. Ils sont constitues de gouttes d'eau à leur partie inférieure, de particules de glace à leur partie supérieure. Leur formation est due à l'apparition de courants atmosphériques ascendants dont la vitesse peut dépasser 20 m/s.
Les orages de convection ou orages isolés, naissent de l'effet combiné de l'humidité et du réchauffement local du sol : il se forme une bulle d'air chaud et humide, qui s'élève pratiquement isolée thermiquement de l'air environnant. Cette bulle forme un nuage orageux aux altitudes où la condensation commence. C'est l'orage de chaleur, souvent très localisé, dont la durée n'excède pas une heure et demie.
En revanche, les orages frontaux naissent de la rencontre de masses d'air imposantes de température et d'humidité différente.
Cette rencontre produit également des courants ascendants accompagnés de condensation. Ces fronts orageux peuvent durer plusieurs jours et se propager sur des milliers de kilomètres (squall lines ou lignes de grains). Parallèlement à ces phénomènes thermodynamiques, il se produit une séparation des charges électriques au sein du nuage. Le résultat de ces processus de séparation est que la partie supérieure des nuages orageux, constituée de cristaux de glace, est chargée positivement, tandis que leur base est chargée négativement. Souvent, un îlot de charges positives est enserré dans la masse négative, sans qu'une explication satisfaisante puisse être donnée de cette présence.
Classification et description de la foudre
La première phase d'un coup de foudre est la formation d'une prédécharge peu lumineuse, ou traceur, qui progresse à travers l'air neutre avec une vitesse relativement faible. Elle a son origine soit dans le nuage, et elle progresse alors en direction du sol, soit au niveau du sol, et elle progresse vers le nuage. Dans les deux cas, tout se passe comme si le canal ainsi formé, quoique faiblement ionisé, formait entre le sol et le nuage un pont suffisamment conducteur pour préparer la voie à un courant intense, qui sera le coup de foudre proprement dit. On classe donc tout d'abord les coups de foudre selon le sens de développement du traceur (ou leader, dans la terminologie anglaise), en coups de foudre descendants et en coups de foudre ascendants. En pays plat, le coup de foudre normal, de loin le plus fréquent, est descendant. Pour qu'un coup ascendant puisse se développer, la présence d'une proéminence imposante est nécessaire.
En second lieu, on classe les coups de foudre selon le sens d'écoulement du courant principal. Conventionnellement, on définira le coup négatif, lorsque la partie négative d'un nuage se décharge, et le coup positif, lorsque c'est la partie positive du nuage qui se décharge. Dans nos climats tempérés, les coups positifs représentent de 10 à 20% de l'ensemble du foudroiement.
Dans le cas de coups de foudre ascendants, les effluves d'effet couronne positifs qui apparaissent au sommet des aspérités se développent d'autant plus loin, et avec d'autant plus d'intensité, que les dimensions de la proéminence sont imposantes. A partir d'une certaine intensité d'effluves, le phénomène se modifie brusquement et se développe suffisamment loin pour atteindre le nuage ascendant. Ces coups sont fréquemment observés à partir de tours élevées ou de gratte-ciel. Les reliefs du sol, notamment des montagnes isolées, favorisent d'autant plus la formation de coups ascendants, lorsqu'une tour ou un pylône sont places à leur sommet.
Dans les coups de foudre descendant, le traceur négatif prend naissance dans le sein des masses négatives du nuage, selon un mécanisme que l'on commence à comprendre aujourd'hui. Il progresse ensuite en direction du sol, par bonds successifs de quelques dizaines de mètres (c'est le stepped leader, suivant la terminologie anglaise), et avec une vitesse moyenne comprise entre 0,15 et 1,5 mètre par microseconde. Au fur et à mesure de sa progression, on assiste à de nombreuses ramifications orientées vers le bas, tandis que sa luminosité s'accroît. Dès que la pointe du traceur s'approche du sol, des prédécharges ascendantes se développent à partir de celui-ci, généralement depuis une saillie, dans la direction du traceur.
Lorsque l'une des décharges ascendantes et le traceur par bonds se rejoignent, il s'établit un court-circuit entre le nuage et le sol, qui permet le passage d'un courant a forte intensité. On observe à ce moment un trait fortement lumineux qui progresse depuis le sol jusqu'au nuage, avec une vitesse estimée au tiers de la vitesse de la lumière: c'est l'arc en retour ou "return strok". Plusieurs décharges successives peuvent ainsi avoir lieu selon ce type de mécanisme. En général, un coup de foudre complet dure de 0,2 à 2 secondes et comporte en moyenne 4 décharges partielles.
L'énergie de la foudre
Est-il intéressant de capter l'énergie de la foudre ?
On pourrait croire que l'énergie électrique dissipée par les orages est importante. En réalité, si la puissance instantanée de la foudre est énorme, la puissance moyenne reste relativement modeste. Pour s'en convaincre, il suffit d'intégrer l'énergie dissipée annuellement par l'ensemble des coups de foudre frappant le territoire français. En se basant sur une différence de potentiel nuage-sol de 100 millions de volts et sur une charge moyenne par éclair de 20 coulombs, on arrive à une puissance permanente de 100 mégawatts, soit moins du dixièmes d'une tranche nucléaire moderne.
De plus, on imagine les difficultés techniques à résoudre pour capter une énergie aussi diffuse et aléatoire.
Mécanisme d'impact
Comment et où se produit l'impact au sol d'un coup de foudre ?
Le traceur descendant est un canal ionisé se développant du nuage vers le sol. Le plus fréquemment, il est issu de la partie négative du nuage et il est lui-même porteur de charges négatives. Lorsqu'il se rapproche du sol, le champ électrique dans une zone située au-dessous s'accroît considérablement, pendant quelques millisecondes. Or lorsque le champ électrique au voisinage du sol atteint une valeur critique de l'ordre de 300 kV/m, les effluves (c'est-à-dire les feux de Saint-Elme) existant localement aux asperités du sol se transforment en décharges ascendantes, qui vont se développer brusquement et progresser en direction du traceur descendant. L'une de ces décharges, la plus proche ou celle qui a progressé le plus rapidement, entre en contact avec le traceur: le canal ionisé est dès lors continu depuis le point d'émission de la décharge ascendante jusqu'au nuage; la décharge principale, qui est l'arc en retour, peut avoir lieu. En même temps, le point d'impact du coup de foudre est fixe. On appelle cette décharge ascendante particulière " décharge de capture " les AngloSaxons disent "connecting leader").
La foudre en boule
La foudre en boule, ou foudre globulaire, est un phénomène qui intrigue les scientifiques depuis longtemps, d'autant plus que personne n'a jamais réussi à le reproduire en laboratoire. Elle se présente sous forme d'une sphère lumineuse, d'une couleur jaune tirant sur l'orange, d'un diamètre de quinze à vingt centimètres. Elle apparaît brusquement au cours d'un orage et se comporte de façon imprévisible avant de disparaître au bout de quelques secondes. Tantôt elle s'évanouit simplement, tantôt elle explose, en provoquant des dégâts. Dans une maison, elle peut entrer par une fenêtre ou par la cheminée, et errer dans la pièce en frôlant les personnes présentes. Tout le monde a plus ou moins entendu parler de ce phénomène bizarre dont les manifestations sont souvent terrifiantes ou quelquefois cocasses. Il en existe de nombreuses descriptions depuis l'Antiquité jusqu'à nos jours. Les lecteurs de Tintin ont aussi était intrigué par ce phénomène qui est entré dans la pièce où se trouvait le professeur Tournesol.
Pourtant, à la question "Qu'est-ce que la foudre en boule ? ", le physicien est obligé de répondre : on ne sait pas.
Il est vrai qu'à peu près tout ce que l'on sait sur la foudre en boule résulte de témoignages, sur la validité desquels subsiste toujours un certain doute. Il existe néanmoins un nombre suffisant de descriptions assez concordantes pour que le physicien consciencieux ne cède pas à la tentation confortable de n'y voir qu'une illusion. Quoi qu'il en soit, la foudre en boule, telle qu'elle est habituellement décrite, est tout à fait différente des lueurs ou effluves de l'effet couronne.
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