Foudre - Définition

La foudre est un phénomène naturel de décharge électrostatique disruptive.

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 théories : 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 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.

La convection

La théorie de la convection veut que les ions libres dans l'atmosphère 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 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.

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.

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 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.

Fréquence

• Les connaissances sur la foudre sont de l'ordre statistique 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 la foudre a été entendue dans l'année) et surtout de la densité 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 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.

Autres effets

La foudre peut s'accompagner, dans les cas de forte 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.

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).

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 que le temps 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 de l'arc électrique l'air est ionisé, changeant ainsi la vitesse de l'onde sonore.

Différents types de foudre

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.

Éclairs nuage-sol

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 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

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].

Dangers

Il y a quelques 2000 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 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, 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 dans les membres inférieurs. Ce phénomène est appelé "tension de pas".

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, notons 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.

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, 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 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, 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 entre le dispositif de capture et la prise de terre.

Cet ensemble de conducteurs doit être interconnecté correctement et durablement.

Le dimensionnement d'un dispositif extérieur de protection foudre est régi par la norme 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, 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 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.

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 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 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 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, chacun obtiendrait une part de l'ordre de 6 kWh par an, équivalent de seulement trois heures d'utilisation d'un four.

Notes

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.