Foudre - Définition et Explications

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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 (Un orage, de l'ancien français ore qui signifiait vent, est une perturbation atmosphérique d'origine convective associée à un type de nuage particulier : le cumulonimbus. Ce dernier...). Lorsque le potentiel est suffisamment grand, l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est nécessaire de pressuriser les cabines des avions et autres...) entre ces différents niveaux n'est plus assez isolant (Un isolant est un matériau qui permet d'empêcher les échanges d'énergie entre deux systèmes. On distingue : les isolants électriques, les isolants thermiques,...) et un claquage (En électronique ou électrotechnique, le claquage est un phénomène qui touche entre autres tous les éléments qui ont un but isolant (condensateurs...), et qui se produit quand la tension entre deux points isolés atteint...) se produit. La foudre (La foudre est un phénomène naturel de décharge électrostatique disruptive qui se produit lorsque de l'électricité statique s'accumule entre des nuages d'orage ou entre un tel nuage...) alors générée peut se produire entre les différentes parties du nuage (Un nuage est une grande quantité de gouttelettes d’eau (ou de cristaux de glace) en suspension dans l’atmosphère. L’aspect d'un nuage dépend de la lumière qu’il...) 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 (La verticale est une droite parallèle à la direction de la pesanteur, donnée notamment par le fil à plomb.) 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 (Une indication (du latin indicare : indiquer) est un conseil ou une recommandation, écrit ou oral.) du stade (Un stade (du grec ancien στ?διον stadion, du verbe ?στημι istêmi, « se tenir droit et ferme ») est un équipement sportif.) de développement du cumulonimbus (Le cumulonimbus, de la famille des cumulus, est le nuage qui présente la plus grande extension verticale. Sa base se situe en général de quelques centaines de mètres à...).

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 (Le basculement, dans le domaine de l'astronautique, est l'inclinaison progressive d'un véhicule spatial autour d'un axe quelconque. Le basculement peut...) de ce type vers le type ascendant est souvent indicatif de temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) 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 (La hauteur a plusieurs significations suivant le domaine abordé.) (tour, pylône).

Foudre en boule

Gravure du XIXe siècle (Un siècle est maintenant une période de cent années. Le mot vient du latin saeculum, i, qui signifiait race, génération. Il a ensuite indiqué la durée d'une...) 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 (En mathématiques, et plus précisément en géométrie euclidienne, une sphère est une surface constituée de tous les points...) lumineuse de taille variable (En mathématiques et en logique, une variable est représentée par un symbole. Elle est utilisée pour marquer un rôle dans une formule, un prédicat ou un algorithme. En statistiques, une variable peut aussi...) (du centimètre (Un centimètre (symbole cm) vaut 10-2 = 0,01 mètre.) à plusieurs dizaines de centimètres de diamètre). Les observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir...) rapportent différentes couleurs (blanc, rougeâtre, parfois jaune (Il existe (au minimum) cinq définitions du jaune qui désignent à peu près la même couleur :)....) et une durée de vie (La vie est le nom donné :) très différente (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des nombres pour mesurer l'éventuel défaut de dualité d'une application définie à l'aide de la trace, dans l'anneau des...) selon les cas, mais le plus souvent tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) 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 (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance...) 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 (Un arc électrique est un courant électrique visible dans un milieu isolant (gaz, vide...). La découverte de ce phénomène est due au chimiste et physicien anglais sir Humphry Davy en...) créé entre deux électrodes vaporise du silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.) pur.
  2. En se refroidissant, le nuage de silicium se contracte.
  3. Le silicium se combine à l'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.) de l'air. La réaction chimique dégage de l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) donnant une température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud,...) estimée de 1 700 °C à ces boules de feu (Le feu est la production d'une flamme par une réaction chimique exothermique d'oxydation appelée combustion.) qui tournent généralement sur elles-mêmes juste au-dessus du sol puis disparaissent.

La décharge

Décharge

Lorsque ce champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) électrostatique (L'électrostatique traite des charges électriques immobiles et des forces qu'elles exercent entre elles, c’est-à-dire de leurs interactions.) dépasse les limites diélectriques de l'air (variables selon les conditions d'humidité (L'humidité est la présence d'eau ou de vapeur d'eau dans l'air ou dans une substance (linge, pain, produit chimique, etc.).) 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 (La charge électrique est une propriété fondamentale de la matière qui respecte le principe de conservation.), avance vers une zone de charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un...) opposée à une vitesse (On distingue :) 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 (Dans cette simple équation d’onde :) 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 (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes lumineuses, avec une (ou des) amplitude(s) donnée(s).)

Le long du chemin parcouru, les gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume propre : un gaz tend à...) sont surchauffés et ionisés (la température peut y atteindre 30 000 °C, cinq fois celle de la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent...) du soleil) et forment ainsi un plasma ( En physique, le plasma décrit un état de la matière constitué de particules chargées (d'ions et d'électrons). Le plasma quark-gluon est un plasma qui constituerait les grandes étoiles à neutrons avant...) conducteur, ce qui explique l'émission soudaine de lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm...) que l'on observe. Ce phénomène lumineux est appelé « éclair ». La couleur de cet éclair dépend de plusieurs facteurs : la densité de courant (La densité de courant électrique est définie comme le courant électrique par unité de surface (figure). Mathématiquement, le courant et la densité de courant sont liés par la relation :), la distance de l'observateur à l'éclair et les différentes particules présentes dans l'atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :). Cependant, en général, la couleur de l'éclair est blanche dans un air sec, jaune en présence d'une grande quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une collection ou un groupe de choses.) de poussière, rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait usage.) en cas de pluie (La pluie désigne généralement une précipitation d'eau à l'état liquide tombant de nuages vers le sol. Il s'agit d'un...) et bleue en présence de grêle (La grêle est un type de précipitation qui se forme dans des orages particulièrement forts lorsque l'air est très humide et que les courants ascendants sont puissants. Elle...).

Fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de temps. Ainsi lorsqu'on emploie le...)

Carte mondiale avec la fréquence de la foudre. On remarque que les zones équatoriales sont celles où les décharges sont les plus fréquentes.
Fréquence exceptionnelle durant un orage en 1991 à Sydney en Australie : un éclair toutes les 30 secondes pendant deux heures (L'heure est une unité de mesure  :)
  • La foudre est l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné par une étiquette verbale. Il est défini...) d'études statistiques (La statistique est à la fois une science formelle, une méthode et une technique. Elle comprend la collecte, l'analyse, l'interprétation de données ainsi que la présentation de ces ressources afin de les rendre...) car il y a de nombreuses différences de caractéristiques (amplitude, durée, nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) 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 (Une année est une unité de temps exprimant la durée entre deux occurrences d'un évènement lié à la révolution de la Terre autour du Soleil.) dans le monde (Le mot monde peut désigner :).
  • La fréquence des coups de foudre est définie à partir du niveau kéraunique (nombre de fois où le tonnerre (Le tonnerre est un bruit qui est produit par l'expansion brutale de la fine colonne d'air qui a été chauffé très rapidement par la foudre au cours d'un orage.) a été entendu dans l'année) et surtout de la densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de référence est l'eau pure à 4 °C pour les liquides et...) 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 (Un moulin est une machine à moudre les grains de céréale en farine et, par analogie, une machine à broyer, piler, pulvériser diverses substances et à extraire certains produits (huile, pommes, poudre, épices,...) à champs, antennes directionnelles et capteurs (Un capteur est un dispositif qui transforme l'état d'une grandeur physique observée en une grandeur utilisable, exemple : une tension électrique, une hauteur de mercure, une intensité, la déviation...) par satellites (Satellite peut faire référence à :).

On voit dans l'image de droite que le taux de foudre est généralement relié à la latitude (La latitude est une valeur angulaire, expression du positionnement nord-sud d'un point sur Terre (ou sur une autre planète), au nord ou au sud de l'équateur.) 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 (La convection est un mode de transfert d'énergie qui implique un déplacement de matière dans le milieu, par opposition à la conduction thermique ou diffusion de...) également. Ce n'est pas partout à l'équateur que les conditions sont favorables à la formation des orages. Ainsi, la zone de convergence (Le terme de convergence est utilisé dans de nombreux domaines :) intertropicale, où convergent ( en astronautique, convergent en mathématiques, suite convergente série convergente ) les alizés, donne le soulèvement nécessaire pour la formation d'orages assez continuels mais au nord (Le nord est un point cardinal, opposé au sud.) et au sud (Le sud est un point cardinal, opposé au nord.) de celle-ci on a un mouvement descendant de l'air qui dégage le ciel (Le ciel est l'atmosphère de la Terre telle qu'elle est vue depuis le sol de la planète.). De la même manière, les eaux des courants marins froids inhibent les orages (ex. côte ouest (L’ouest est un point cardinal, opposé à l'est. C'est la direction vers laquelle se couche le Soleil à l'équinoxe, le couchant (ou ponant).) de l'Amérique (L’Amérique est un continent séparé, à l'ouest, de l'Asie et l'Océanie par le détroit de Béring et l'océan Pacifique; et à l'est, de...) du Nord et du Sud) alors que les eaux chaudes les favorisent (ex. le Gulf Stream (Le Gulf Stream est un courant océanique qui prend sa source entre la Floride et les Bahamas et se dilue dans l'océan Atlantique vers la longitude du Groenland. Son nom est abusivement utilisé pour désigner la dérive...) où se déplacent les ouragans).

Tonnerre

La foudre s'accompagne d'une onde acoustique (Le son est une onde produite par la vibration mécanique d'un support fluide ou solide et propagée grâce à l'élasticité du milieu environnant sous forme d'ondes longitudinales. Par extension physiologique, le son désigne la sensation auditive...), le tonnerre. Cette onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière. Une onde transporte aussi de la...) est engendrée par la brutale dilatation (La dilatation est l'expansion du volume d'un corps occasionné par son réchauffement, généralement imperceptible. Dans le cas d'un gaz, il y a dilatation à pression constante ou maintien du...) de l'air surchauffé par l'arc électrique. Elle peut consister en un bruit (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son. C'est-à-dire vibration de l'air pouvant donner lieu à la création d'une...) sec ou un roulement ( En mécanique, le roulement, et plus précisément le roulement sans glissement, est le mouvement d'un corps qui reste en contact avec une surface d'appui sans glisser, qui s'entend généralement pour un corps possédant une symétrie de...) 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 (L'altitude est l'élévation verticale d'un lieu ou d'un objet par rapport à un niveau de base. C'est une des composantes géographique et...). 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 (Une approximation est une représentation grossière c'est-à-dire manquant de précision et d'exactitude, de quelque chose, mais encore assez significative pour être utile. Bien...) de la distance qui sépare un observateur d'un éclair. Dans l'air, à pression atmosphérique (La pression atmosphérique est la pression de l'air en un point quelconque d'une atmosphère.) 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 10 \times 340,88 = 3408,8 m, soit environ 3,4 km.

Naturellement, la pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) 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 (Graphie) 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 ( Total est la qualité de ce qui est complet, sans exception. D'un point de vue comptable, un total est le résultat d'une addition, c'est-à-dire une somme. Exemple : "Le total des dettes". En physique le...) 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.

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