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Météorologie élémentaire

Document de Chris VenHaus.

Les éclairs (III)

Parmi les phénomènes associés aux orages, les éclairs occupent une place à part tellement leurs effets sont particuliers. Les éclairs sont la manifestation lumineuse qui accompagne une décharge brusque d'électricité atmosphérique.

Comme tous les corps plus ou moins chargés d'électricité (inertes ou vivants), l'atmosphère présente des différences de potentiel. Le potentiel électrique augmente d'environ 100 volts par mètre et atteint un maximum proche de 400 kV vers 50 km d'altitude. En moyenne, l'intensité du champ électrique est inférieure à 2 V et, heureusement pour nous, elle est insuffisante pour permettre aux molécules d'hydrogène et d'oxygène de s'échapper dans l'espace (il faudrait une courant d'au moins 10 V comme sur Vénus).

Les décharges d'électricité jaillissent soit entre un nuage et la terre (catégorie CG), soit entre différentes parties d'un même nuage (catégorie CC ou Crawler), soit enfin entre différents nuages. Elles trouvent leur origine dans les hautes valeurs locales du champ électrique qui peut atteindre quelques milliers de volts par cm avant la décharge. Les courants de décharge oscillent entre 18 et 31 kA avec des petites variations atteignant 24 kA/μs. Mais ils peuvent atteindre plus de 200 kA pendant quelques microsecondes !

En temps normal l'air constitue un parfait isolant (rappelez-vous les propriétés des capacités); les charges positives et négatives sont dispersées, la différence de potentiel dans un nuage étant très faible.

A gauche, le mécanisme d'un éclair nuage-sol ou CG. A droite, les différents types d'éclairs. Documents T.Lombry et NASA adapté par l'auteur.

Les éclairs se manifestent lorsque l'air devient conducteur. Les éclairs sont issus de régions ionisées (nuages ou terre) portées à des différences de potentiel importantes. Lorsque les électrons chargés négativement dans une région sont fortement attirés par les charges positives présentes dans une autre région (la terre par exemple), la différence de potentiel atteint un tel niveau que des électrons libres s'entrechoquent, provoquant une "avalanche électronique" et créent en quelques nanosecondes un canal ionisé conducteur d'environ 1 m de diamètre au sein du nuage.

Ce canal est constitué d'ions et d'électrons; c'est un plasma conducteur. Près du sol, chargé positivement, les particules étant attirées par leur charge opposée, un canal ionisé s'amorce rejoignant celui formé au sein du nuage. A cet instant l'éclair se manifeste en suivant la trajectoire offrant la moindre résistivité (comme l'eau s'écoulant d'une colline), d'où son parcours en zigzag. C'est au moment où le canal de retour (d'ordinaire issu du sol) se crée que l'éclair s'illumine et que l'on entend le tonnerre. Dans l'exemple où la foudre va du nuage vers le sol seul le premier éclair de retour présente une structure arborescente tandis que les décharges successives utiliseront toujours le même canal, donnant aux éclairs l'impression de clignoter.

Il peut y avoir jusqu'à 30 décharges de retour venant de la terre en l'espace d'une à deux secondes, donnant l'impression que l'éclair est persistant et très lumineux.

La foudre ne "tombe" donc pas uniquement du ciel mais monte également du sol. En fait lors d'un coup foudre entre un nuage et la terre, le sol étant positif, les prises de vue au ralenti ont montré qu'une première décharge d'électricité se manifeste du nuage vers le sol; c'est le traceur. Il se fraye un passage à travers l'atmosphère en se dispersant en plusieurs petits canaux ou fourches dont chaque segment mesure environ 50 m en prenant l'aspect d'un escalier ou de zigzags. Lorsque l'une des fourches du traceur rejoint un canal issu du sol, le lien s'établit et forme dorénavant le trajet de retour qui permettra à la foudre de décharger des dizaines de milliers d'ampères dans le nuage. Parfois, juste avant ce retour, des éclairs verticaux d'une dizaine de mètre de hauteur peuvent jaillir du sol. En général le point de rencontre se situe à moins de 100 m au-dessus du sol. Cette première phase exploratoire affichant l'arborescence caractéristique est en général très peu lumineuse car elle ne décharge pas beaucoup de courant dans l'atmosphère. En revanche, lorsque la foudre monte vers le nuage, la décharge de courant crée un plasma conducteur qui illumine violemment le canal, c'est l'éclair à proprement dit qu'on observe.

Lorsque la foudre a frappé, le nuage se recharge de lui-même un certain nombre de fois selon sa maturité et son activité. Certains cellules orageuses peuvent provoquer plus de 100 éclairs par minute tandis que les moins actives émettent un seul éclair durant tout leur cycle de vie, soit en l'espace d'une heure.

L'éclair que l'on aperçoit est accompagné de plusieurs impulsions très intenses d'énergie qui s'étalent au travers du spectre électromagnétique. L'essentiel de cette énergie est constituée d'impulsions continues (CC) qui sont souvent précédées par un rayonnement radioélectrique (RF) qui se manifeste durant les premiers instants de la décharge de l'éclair.

Un bref éclair apparaissant durant 0.25 μs émet un rayonnementradio-fréquence à 1 MHz tout à fait audible sur un récepteur onde-courtes. A mesure que la durée de l'éclair augmente, le signal radioélectrique se décale lentement vers les basses fréquences.

Ainsi, une impulsion durant 12 μs par exemple émet un rayonnement RF à 20 kHz. C'est l'énergie contenue dans ce signal radioélectrique qui affecte les appareils électriques sous tension et qui, selon son intensité, impose de mettre en place des mesures de protection. C'est le même type d'impulsion électromagnétique mais amplifié qui est généré par une bombe EMP ou E-bombe.

Nous aborderons le sujet très important et complexe de la protection contre la foudre dans le dossier anglais consacré aux activités radioamateur.

Les effets de la foudre

La foudre et les systèmes visant à nous en protéger suscitent toujours beaucoup de commentaires sur les forums de discussion tant de la part de personnes avisées que des néophytes. Souvent les propos sont inexacts car fondés sur des on-dit ou mieux l'interprétation ou l'extrapolation de textes de vulgarisation, par nature incomplets.

Nous allons simplement décrire ce qui se produit lorsqu'un coup de foudre se manifeste et mettre en évidence que dans les faits, si une mise à la terre est utile pour se prémunir contre des coups de foudre potentiels, elle peut aussi s'avérer pire que le bien si elle est mal utilisée.

A voir : Compilation d'éclairs

Strange Lighting strikes explained, Pecos Hank

Documents Webshots et Weather Picture of the Day

Que se passe-t-il lorsqu'un être humain est frappé par la foudre ? La victime a environ une chance sur deux d'y laisser la vie. Habituellement l'éclair entre par la tête ou l'une des oreilles. Il ressortira directement par la peau après avoir parcouru quelques centimètres du fait qu'il s'agit d'un courant de forte intensité mais temporaire qui se propage essentiellement à la surface des matériaux conducteurs (comme les chaires).

Les premiers symptômes sont des brûlures plus ou moins importantes allant de la simple rougeur suivie par la peau qui pêle aux brûlures du troisième degré qui exigent une hospitalisation lourde et de longue durée. La personne touchée peut être victime d'un arrêt cardiaque et temporairement aveugle et sourde. Si le coup de foudre ne lui est pas fatal, il peut affecter profondément sa vie. En effet, de nombreuses personnes ayant survécu à la frappe d'un éclair souffrent de lésions internes ou sont même handicappées, leurs neurores moteurs ayant été endommagés de manière permanente.

Un arbre frappé par la foudfre. Doc Ingo Bertram/Wolkenatlas.

Lorsque la foudre frappe un arbre, la sève qu'il contient se transforme instantanément en vapeur. La pression engendrée par ce changement d'état fait littéralement exploser tout ce qui se trouve entre le gaz et l'atmosphère; la branche explose ou l'arbre éclate. L'éclair traverse ainsi l'arbre sous l'écorce jusqu'à la terre, libérant sous son passage des milliers de morceaux d'écorce. L'arbre survie en général à un coup de foudre à condition qu'elle n'ait pas atteint le coeur.

Un éclair peut frapper le sol jusqu'à 40 km du nuage. Il est donc très imprudent et dangereux de rester dans une prairie par exemple pendant un orage car l'air et le sol peuvent être très conducteur jusqu'à de très grandes distances.

Ces frappes violentes expliquent pourquoi il est déconseillé de se mettre à l'abri sous un arbre durant un orage; le souffle de l'exposion pourrait vous tuer car les éclats sont animés de vitesses similaires à celle d'un projectile. Evitez également de vous trouver près d'une étendue d'eau, d'une longue barrière métallique, dans une plaine ou sur un site surélevé. Dans ce cas mieux vaut courir sous l'averse et aller vous abriter dans une habitation ou trouver refuge dans un abri. L'endroit le plus sûr est sur le plancher en bois ou le balatom en caoutchouc dans un bâtiment, éloigné d'une fenêtre ou dans une voiture ou un avion qui fait office de cage de Faraday. Notons que les systèmes de câblage en fibre optique sont à l'abri des inductions électromagnétiques (mais pas les processeurs des appareils qu'ils relient sauf s'ils sont blindés).

Ainsi que je l'explique dans le dossier consacré aux activités radioamateur (en anglais), lorsqu'une habitation est frappée par la foudre, le courant électrique se propage en utilisant tous les matériaux conducteurs qu'il rencontre (les antennes, les gouttières, la plomberie, etc) et est même capable de remonter par la mise à la terre ou de sauter jusqu'à la rallonge débranchée laissée à proximité de la prise !

Il faut donc bien avoir conscience que dans un endroit mal isolé, une personne prenant son bain pendant un orage, téléphonant à partir d'un poste fixe, se lavant les mains sous le robinet ou étant directement ou indirectement en contact avec des canalisations ou leurs accessoires peut être touchée par l'intensité du courant et même en mourir.

Les orages et la foudre

Deux documentaires sur les orages et la fourdre.

Par ailleurs, tous les appareils domestiques connectés au réseau électique risquent d'être endommagés, soit par l'intensité du courant soit par l'impulsion électromagnétique. Notons qu'une bombe électromagnétique (EMP ou E-bombe) fonctionne exactement de la même manière qu'un éclair mais son effet peut être centuplé et s'étendre sur une beaucoup plus vaste échelle (tout un continent si l'explosion à lieu en haute altitude).

Enfin, il faut savoir que la foudre utilise toujours le circuit offrant la moindre résistance électrique; contre toute attente, il est déjà arrivé qu'elle utilise un point faible dans une ligne de terre pour atteindre l'intérieur d'une habitation ! Rien ne sert de vous dire que tout le matériel électrique de cet habitant fut détruit. Pourtant cette personne avait pris ses précautions en disposant deux réseaux de mise à la terre, l'un domestique protégeant à la fois son matériel électro-ménager et son installation radioamateur, l'autre disposé autour de son pylone d'antenne. Malgré tout il restait une différence de potentiel sur la ligne téléphonique que dame Nature s'est empressée d'utiliser...

On ne le dira donc jamais assez, même si vous disposez d'une bonne terre et si cela paraît paradoxal, dans une habitation isolée (et dans une moindre mesure en appartement, mais le risque n'est pas nul pour autant), pendant un orage débranchez tous les appareils électriques et éloignez les objets métalliques et les rallonges des prises de courant. C'est plus sage que de voir griller l'appareil auquel vous tenez tant et de devoir supporter ensuite des tracasseries financières et administratives ! Mieux vaut prévenir que de payer la facture !

A voir : Photographier les éclairs avec le kit Zeus (sur le blog)

Les éclairs filmés au ralenti (sur le blog)

Le bruit de l'orage

Eclairs CG et CC filmés

Courant électrique, arcs, étincelles et chocs

Etant donné que nous n'avons pas les moyens financiers d'un centre de communication, évitez de laisser tout allumer pendant un orage (surtout dans des habitation isolés), et ne faites pas comme ces émetteurs hertziens AM et de TV professionnels qui sont bien obligés de continuer à fonctionner car on ne peut pas couper puis rebrancher un ampli de 100 kW en l'espace d'une seconde ! Mais ces professionnels disposent de détecteurs de surtension et de réseaux de protections adaptés à leur profession. Il n'empêche que lorsqu'un violent orage survient, plus d'un opérateur ou présentateur ont préféré quitter la pièce. On ne sait jamais !

Les buildings et les grandes structures doivent également être protégées et mises à la terre conformément à la législation. On ne s'improvise pas expert en cette matière et ce travail doit être réalisé par une personne compétente ou confié à un société spécialisée et non pas au premier électricien du coin. Le montant de la facture (parfois plusieurs milliers d'euros) est dérisoire comparé aux risques que vous prendriez en essayant de faire ce travail vous-même. Heureusement si cela devait vous arriver, votre assurance devrait vous couvrir à plus de 90 % (valeur de rachat ou des réparations).

Enfin, un éclair peut libérer une chaleur atteignant 50000°C. Cette énergie fait réagir les molécules d'azote et d'oxygène présentes dans l'air qui forment des nitrates qui en se condensant au sol servent d'engrais naturels aux végétaux.

Les éclairs en boule

Le phénomène d'éclair en boule est rarement décrit. Il s'agit d'une sphère lumineuse qui se manifeste pendant les orages. Elle a été décrite comme se déplaçant rapidement, ralentissant ou restant stationnaire, inodore ou sentant l'ozone, insonore ou produisant un sifflement ou des crépitements, passant par les fenêtres ou courant le long des lignes électriques, errant quelques secondes à plusieurs minutes pour finalement disparaître lentement ou soudainement, sans bruit ou avec fracas.

L'évènement étant fugace et imprévisible, les photographies de ce phénomène se comptent sur les doigts d'une main et il n'existe aucun compte rendu officiel de ce phénomène. La seule source d'information sur la foudre en boule (ball lightning) provient de témoins oculaires, dont mon père fut un témoin privilégié dans les années 1960.

A voir : Vidéos d'éventuels éclairs en boules

Eclair en boule et simulation d'un court-circuit sur une ligne haute-tension.

Malgré les nombreuses tentatives pour reproduire des éclairs en boule en laboratoire, le phénomène garde tout son mystère. Plusieurs théories ont été proposées dont récemment celle de John Abrahamson et James Dinniss de l'Université de Canterbury en Nouvelle Zélande considérant qu'il s'agirait de particules de silicium extraites du sol et vaporisées dans l'air sous l'effet de la foudre. Elles se rassembleraient pour former des filaments qui pourraient flotter quelques instants dans l'air.

Une autre théorie considère que sachant qu'un court-circuit se manifestant sur une ligne à haute-tension présente plusieurs des caractéristiques attribuées à la foudre en boule, et étant donné qu'un coup de foudre peut frapper ces pylones et entraîner un tel court-circuit, il se peut que la plupart des observations concernent en fait des pannes (courts-circuits) survenues sur des lignes à plus ou moins haute-tension. A vérifier.

Jets bleus, sprites et elfes

Enfin, l'activité des cumulonimbus et de l'ionosphère sont associés à des phénomènes lumineux transitoires, les TLE. En effet, c'est à partir de 1989 que les astronautes de la navette spatiale ont découvert qu'entre 30 et 100 km d’altitude environ des jets de plasma surgissent au-dessus des nuages d’orage, desquels ils s’échappent sous forme de filaments bleutés, de jets gigantesques (gigantic jets ou GJ), de sprites (farfadets) et d'elfes rouges.

C'est une découverte scientifique surprenante dont les témoignages furent longtemps attribués à des méprises. On y reviendra.

A lire : Les Phénomènes Lumineux Transitoires

Jets bleus, sprites et autres elfes

Les éclairs de Catatumbo

Où rencontre-t-on le plus d'orages et d'éclairs ? Si les orages se manifestent principalement dans toute la zone chaude et humide équatoriale, c'est à Catatumbo, dans l'état de Zulia, au Vénézuela (8.9°N) que les orages sont les nombreux et les plus violents. Ainsi, au-dessus du lac de Maracaibo notamment, on peut dénombrer jusqu'à 20000 éclairs en une seule nuit, 280 éclairs par heure, et assister chaque année à 140 à 160 nuits d'éclairs durant 10 heures ! En moyenne, à Catatumbo on observe des éclairs 297 nuits par an soit 233 éclairs par km2 par an ! On estime que cette activité produit environ 10 % de l'ozone troposphérique mondial et génère plus de 1.17 millions de kW d'électricité !

A voir : Catatumbo Lightning 2016, Jonas Piontek

(et les photos)

Les orages accompagnés d'éclairs de Catatumbo photographiés le 10 mai 2017 par Jonas Piontek.

Entre janvier et avril 2010, les éclairs ont soudainement disparu (du moins à l'oeil nu) en raison de la sécheresse qui sévissait dans la région. Depuis ils sont réapparus. Trois lieux sont particulièrement actifs : les marais de Swamp National Park Juan Manuel de Aguas, Claras Aguas Negras et la partie ouest du lac Maracaibo.

A l'heure actuelle aucun scientifique ne comprend pourquoi l'activité orageuse est aussi fréquente à Catatumbo. Une explication considère qu'il existerait une réaction entre les nuages poussés par les vents issus des Andes et les émanations de méthane ionisé formées par la décomposition des matières organiques issues du lac ou des marais, un milieu chimique propice au déclenchement des éclairs. Mais ce n'est qu'une théorie parmi d'autres qu'il faut démontrer. Le mystère demeure.

Prochain chapitre

Les messages météorologiques

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