L'orage et la foudre
La foudre est un phénomène électrique, dans l'élaboration d'une solution à notre problématique, il faut étudier la formation de ce phénomène naturel. On sait que la foudre se forme lors des orages et plus particulièrement avec les cumulonimbus. Ainsi il faut étudier l'électrostatique de l'orage et des différents types de coups de foudre.
A-L'électrostatique des orages
Les phénomènes orageux prennent naissance dans des nuages en forme d'enclume, se développant sur une très grande hauteur, pouvant atteindre 15 Km, les cumulo-nimbus. Constitués d'eau à leur base, leur sommet est formé de particules de glace. Le nuage se forme sous l'effet de courants ascendants violents qui se créent lorsque des masses d'air d'humidité et de température différentes se rencontrent. Il peut aussi se former un orage de chaleur, lorsque le sol est très chaud, et que l'humidité de l'air est élevée. Un cumulo-nimbus peut aspirer des kilomètres cube d'air chaud et humide et il peut contenir des centaines de milliers de tonnes d'eau.
Les phénomènes orageux se produisent essentiellement au sein de la troposphère, L'altitude maximale de celle-ci culmine à environ 18 Km au niveau l'équateur et recroît progressivement jusqu'a environ 6 Km aux pôles. En France, elle atteint en moyenne 10-12 Km en été, altitude à laquelle culminent les nuages orageux constitués de masses d'air à températures, pressions, et humidités différentes, la troposphère subit des perturbations proportionnelles à l'accroissement des contrastes entre ces masses d' air. Les orages se développent à partir de cumulo-nimbus (nuages à fortes extensions verticale et horizontale dans de l'air instable chaud et humide). On explique ainsi leur rareté au-delà du 60° parallèle et leur inexistence dans les régions polaires.
Parmi les différents types d' orages, on peut distinguer les orages de masses d' air qui naissent dans un air relativement homogène et les orages frontaux, provoqués par un confit entre deux nuages d' air présentant des différences thermiques notables.
Le cumulonimbus est une machine électrostatique démesures, génératrice de charges électriques considérables. Les mécanismes relatifs à l'électrisation et à la séparation des charges sont encore mal connus. Au sein d’un cumulonimbus en cours de développement, les violents courants ascendants provoquent la collision des différents hydrométéores (eau surfondue, taux de glace, neiges grêlons). Le frottement entre ces hydrométéores engendre une électrisation suivie d'une séparation des charges variant avec la taille des cristaux de glace. Les particules les plus légères et porteuses de charges positives sont attirées vers le haut par les courants ascendants, alors que les noyaux plus lourds et chargés négativement sont précipités à la base du nuage par effet gravitationnel. Ces charges se répartissent dans trois zones principales.
Dans la partie inférieure constituée de gouttes d’eau ou de neige et dans laquelle se situent des charges négatives, ainsi qu'une poche de charges positives inférieures (ou plusieurs selon le nombre de cellules par cumulonimbus).
B-Le coup de foudre négatif
Ils représentent 90% des coups de foudre sur la France. Les courants de ces coups négatifs sont de forte amplitude et de nature pulsionnelle. Nous avons vu qu'un coup de foudre négatif pouvait présenter plusieurs impulsions successives, que l'on désigne par premier coup et coups subséquents.Le premier coup se caractérise par un temps de montée jusqu'à la crête de quelques microsecondes, de 2 µs à 20 µs, et par des temps de descente de 100 µs à 200 µs. Les amplitudes s'étendent sur de très grandes plages d'intensités, depuis 3 000 A pour les plus faibles jusqu'à 200 000 A pour les plus fortes. Tout récemment, une intensité de 500 000 A aurait été détectée.
Les coups subséquents ont quand à eux des temps de montée généralement inférieurs à la microseconde, quelques fois aussi court que 0,1 µs, et des temps de descente analogues à ceux du premier coup. Mais leur forme est dans l'ensemble plus régulière et leur amplitude plus faible, dépassant rarement 20 000 A.
La plupart des coups de foudre négatifs sont initiés à l'intérieur du nuage d'orage dans la zone de charge négative principale par un processus que l'on nomme rupture préliminaire. Un dixième de seconde après le début de ce processus apparaît une pré charge négative, intermittente et faiblement lumineuse: le traceur par bonds. Ce nom est dû au fait que celui-ci se propage du nuage vers le sol en une série de bonds (discontinus et rapides). Au cours de sa progression vers le sol ce traceur se ramifie et se comporte comme une " tête chercheuse " qui emprunte les chemins de moindre résistance. L'air étant isolant, un coup de foudre instantané serait impossible sans ce mécanisme. Lorsque le traceur descendant approche d'un objet, le champ électrique augmente au point de développer des effluves à partir des aspérités. I1 s'ensuit généralement la formation d'un traceur ascendant (ou contre précurseur) qui progresse en direction du traceur descendant.
A cet instant alors que le champ électrique atteint plusieurs centaines de milliers de volts par mettre, le point d'impact est quasiment déterminé. Lorsque le traceur ascendant rejoint le traceur par bonds, un chemin conducteur s’ouvre entre le sol et le nuage dont la différence de potentiel s’élève alors a une centaine, voire plusieurs centaines de millions de volts. A cet instant, un courant positif d'une intensité considérable se propage du sol vers le nuage à la vitesse initiale de 100 000 Km/s. Ce très bref court-circuit est appelé arc en retour.
L'ensemble du processus depuis la rupture préliminaire jusqu'à l’apparition de l'arc en retour se déroule sur une durée de temps comprise entre 20 et 50 millisecondes. Cependant, les films vidéo montrent quelques rares cas de traceurs descendants progressant vers le sol en un peu plus de 120 millisecondes. On en déduit la durée de l'arc en retour à plusieurs dizaines de microsecondes. Après un temps de pause assez bref un nouvel arc en retour (arc subséquent) peut apparaître dans le même canal ionisé. Toutefois, les arcs subséquents ne sont pas précédés par un traceur par bonds, mais par un traceur continu, qui se propage en quelques millisecondes. Un coup de foudre complet peut contenir plusieurs arcs subséquents. De plus, on estime qu’environ 50 % des coups de foudre sont accompagnés par un long courant continu descendant de faible intensité. Ces courants continus qui transfèrent la charge négative principale vers le sol, peuvent présenter des durées de vie extrêmement longues, parfois supérieures à 500 millisecondes. Pour l'observateur un coup de foudre de longue durée présentant un nombre appréciable d'arcs en retour se traduit par un phénomène lumineux tremblotant ou saccadé.
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| 1 - un coup de foudre négatif descendant est toujours précédé d'une première décharge (le traceur) qui est faiblement lumineuse et qui progresse par bond en se ramifiant. | 2 - Cette décharge (le traceur) s'accroît, elle devient de plus en plus lumineuse et atteint le sol en 1/100 de seconde. En même temps, au sol il y a formation d'effluves là où le champ électrique est intense et peut atteindre 400 000 ou 500 000 V/m. | 3 - C'est au point de rencontre entre le traceur
(descendant) et l'effluve (montante) qu'il se produit une décharge
de grande intensité et de forte luminosité. Elle emprunte le canal formé précédemment et s'appelle l'arc en retour. C'est le coup de foudre qui se passe en 1 millionième de seconde. |
C-Le coup de foudre positif
Bien que la plupart des coups de foudre transfèrent une charge negative depuis le nuage vers le sol, il existe un petit pourcentage d'éclairs qui transfèrent une charge descendante positive. Ces éclairs présentent un intérêt particulier car on sait qu'ils vehiculent des courants de très forte amplitude et des transferts de charge considérablement plus élevés que ceux engendrés par les coups de foudre descendants negatifs.
Ces caractéristiques font du coup de foudre positif un éclair intéressant pour l'énergie que l'on pourrait recevoir, mais il est particulièrement dangereux et destructeur. En effet, celui-ci présente non seulement les qualités, des coups de foudre très explosifs, mais également celles des coups de foudre incendiaires en raison des longs courants continus qui suivent le premier arc en retour, malheureusement, sa rareté n' en permet pas une étude exhaustive et donc il est d'autant plus difficil d'en profiter .
Le pourcentage de coups de foudre positifs varie en fonction de la saison. Le point culminant est atteint au cours des orages d'hiver et le minimum apparaît en période caniculaire. Au cours d'une étude menée dans l'est des Etats-unis, en 1985 Otville observa un maximum de 80 % en février et un minimum de quelques pourcent au cœur de l' été. En Europe occidentale, le pourcentage, nettement moins élevé, atteindrait 40 %au cœur de l' hiver et 5 % en pleine periode estivale. Les orages générateurs d' éclairs positifs se produisent donc principalement en hiver et au début duprintemps.
Si les orages d'hiver sont faibles au point de vue densité de foudroiement, les dégâts dus à la foudre en cette période sont toujours remarquables. On sait qu' en France les orages au début du printemps (bien que passant inaperçus en raison de la rareté des éclairs) causent chaque année des destructions considérables (toitures soufflées, façades éventrées, conducteurs électriques fondus ). A cet égard le nord-ouest de la France est particulièrement enprouvé.
On rencontre également au cours de l'hiver une variété de coups de foudre uniques qui précedent parfois l'apparition d'une forte chute de neige. Les coups de tonnerre tonnerres qui les accompagnent peuvent couvrir la moitié d'un département ce qui temoigne de l'amplitude de ces éclairs.