Foudre - Définition

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 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

Foudre en boule

Gravure du XIX^e siècle illustrant le phénomène de foudre en boule

La foudre en boule, ou foudre globulaire, est un phénomène se produisant parfois à l'impact (dans de très rares cas avant). Elle se présente en règle générale sous la forme d'une sphère lumineuse de taille variable (du centimètre à plusieurs dizaines de centimètres de diamètre). Les observations rapportent différentes couleurs (blanc, rougeâtre, parfois jaune....) et une durée de vie très différente selon les cas, mais le plus souvent tout au plus quelques secondes. Encore aujourd'hui les connaissances à son sujet sont assez fragmentaires. Il a été tenté de nombreuses fois de la reproduire en laboratoire, comme par exemple selon la théorie chimique imaginée par les chercheurs néo-zélandais John Abrahamson et James Dinnis, sans toutefois apporter d'explication réelle au phénomène. Les premières « boules de feu » artificielles 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.
3. Le silicium se combine à l'oxygène de l'air. La réaction chimique dégage de l'énergie donnant une température estimée de 1 700 °C à ces boules de feu qui tournent généralement sur elles-mêmes juste au-dessus du sol puis disparaissent.

La décharge

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, cinq fois celle de la surface du soleil) 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.

Fréquence

Fréquence exceptionnelle durant un orage en 1991 à Sydney en Australie : un éclair toutes les 30 secondes pendant deux heures

• 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 l'éclair (intra-nuage, nuage-sol, positif, négatif).
• 50 % des coups de foudre ont une intensité inférieure à 50 000 A et 99 % inférieure à 200 000 A. Environ 60% des décharges sont intra ou inter-nuageuses,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 entendu 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 les plus grandes densités, particulièrement les zones côtières. On ne devrait pas en être surpris puisque les orages qui produisent la foudre sont engendrés 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 que 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).

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 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.

Distance

La vitesse du son permet une bonne approximation de la distance qui sépare un observateur d'un éclair. Dans l'air, à pression atmosphérique et à 15 °C, le son parcourt 340,88 mètres en 1 seconde. Ainsi, la durée qui sépare la perception visuelle d'un éclair (pratiquement instantanée puisque la lumière se déplace à 300 000 km/s) de la perception auditive du tonnerre, permet de calculer la distance qui sépare l'observateur de l'éclair. Par exemple, pour une durée de 10 s, la distance entre l'observateur et l'éclair sera de , soit environ 3,4 km.

Naturellement, la pression et la température réelle de l'air vont changer cette valeur mais de très peu dans les conditions normales (ex. à 0 °C la vitesse du son est de 330,9 m/s). Au point d'origine de l'éclair où on retrouve un plasma, cette variation est significative sur une très courte distance mais cela est négligeable sur le chemin total parcouru par le son. Ce qui peut être plus important dans cet approximation est la stabilité de l'air. En effet, le son se disperse dans des conditions instables et porte plus loin dans des conditions stables. Ceci veut dire qu'il est très possible de voir un éclair sans entendre le tonnerre et donc de ne pas pouvoir calculer la distance à l'orage. Ainsi, les orages estivaux se produisent dans de l'air instable et il y a une limite à la perception du tonnerre. Dans le cas des orages hivernaux se produisant au-dessus d'une couche stable d'inversion de température, le son sera réverbéré en altitude par cette couche et ne sera généralement pas perçu au sol mais s'il peut la pénétrer, il portera très loin.