La physique de l’orage

> > La physique de l’orage ; écrit le: 21 janvier 2013 par imen modifié le 13 novembre 2014

L’électrisation

Structure électrique du nuage

Lorsque les cristaux de glace et les gouttelettes d’eau chargés d’électri­cité statique se rencontrent, il s’ensuit un échange de charges : les particules de petite taille emportent les charges posi­tives vers le sommet du nuage, tandis que les plus grosses partent vers le bas (en dessous de 4 000 m), en formant une zone chargée négativement. La par­tie supérieure d’un cumulonimbus (faite de cristaux de glace) est le plus souvent chargée positivement, tandis que la partie inférieure (constituée de gouttelettes d’eau) est chargée négative­ment. Leur séparation forcée provoque une «électrisation» du nuage. Des coups de foudre, c’est-à-dire des trans­ferts de charges électriques entre deux nuages, à l’intérieur d’un nuage ou entre le nuage et le sol, peuvent se pro­duire.

UN NUAGE ORAGEUX est tripolaire, la zone négative au centre étant entourée d’une région positive au-des­sus et d’une autre région positive (plus petite), au-dessous. La région supérieure positive est moins chargée que la couche négative, et s’élève sur plusieurs kilomètres, aussi haut que le nuage lui-même.En revanche, la région inférieure posi­tive est si petite que le champ électrique au sol est souvent dominé par la charge négative principale.

La couche négative principale prend la forme d’une galette de moins d’un kilo­mètre d’épaisseur, située à environ 6 000 m d’altitude, dans une zone où la température avoisine les — 15°C. Dans cette région du nuage, les 3 phases de l’eau (glace, liquide, vapeur) coexistent.

Décharges

 L’ÉCLAIR JAILLIT quand la charge locale excède la capacité d’isolation de l’air. Pour produire un éclair, le champ électrique doit en effet atteindre la valeur de claquage dans l’air, corres­pondant à la rupture d’isolant. Ces décharges électriques permettent de connecter à plusieurs kilomètres de dis­tance des poches de charges contraires. La neutralisation de celles-ci constitue un éclair intranuage, dont le courant est en moyenne de quelques milliers d’ampères pendant quelques dixièmes de secondes.

De l’énergie électrostatique est alors transformée en énergie électromagné­tique, sous forme de lumière (éclair) et d’ondes radio sur des fréquences com­prises entre 1 kHz et 1 MHz (audibles sous forme de parasites).

Les impacts nuage-sol sont dans 96% des cas négatifs, mais les impacts posi­tifs sont les plus destructeurs, avec une crête de courant pouvant atteindre 80 000 A, contre 30 000 A générale­ment. C’est lors des orages d’hiver que ces impacts positifs sont les plus nom­breux. Leur forte intensité s’explique par le fait que les charges électriques ne sont pas neutralisées aussi fréquem­ment qu’elles le sont en été, période où les pluies sont plus importantes.

LORS d’un ORAGE, le champ élec­trique au sol se trouve centuplé par rap­port à sa valeur habituelle. De 50 à 400 volts par mètre, il grim.pe à 15000V/m sous les cumulonimbus, ce qui donne une différence de potentiel d’au moins 40 millions de volts entre le nuage et la terre. La puissance élec­trique atteint 6 millions de kilowatts entre le sommet et le pied d’un arbre, mais cette énergie est trop brève (de l’ordre du millionième de seconde) et trop aléatoire pour être exploitée. Au moment de la décharge, le champ élec­trique peut même atteindre un million de volts par mètre, l’intensité du cou­rant dépassant alors 20 000 A, excep­tionnellement dix fois plus.

Conseils en cas d’orage !

En montagne, si vous êtes surpris par l’orage sur un sommet, descendez rapidement le plus bas possible, sans emprunter les arêtes rocheuses et évitez de stationner sous une corniche.

En plaine, si vous ne pouvez vous abriter, asseyez-vous par terre en vous recroquevillant pour être le plus près possible du sol, mains sur la tête. Si vous restez debout, gardez les pieds joints pour éviter le foudroiement par «tension de pas», cause de la mort de bovins.

Sur un bateau, attachez les haubans entre eux et reliez-les à une chaîne plongée dans l’eau. Ici vous êtes à l’intérieur d’une voiture, restez-y ! Les pneus servent d’isolant et la carrosserie tient lieu de «cage de Faraday». Vous êtes alors à l’abri. De même, les bâtiments en béton armé constituent des abris sûrs, le ferraillage formant lui aussi «cage de Faraday». Dans les maisons, tenez-vous à l’écart des postes de radio et de télévision reliés à des antennes extérieures. Éloignez-vous de toutes les masses métalliques telles que baignoires et tuyauteries. Il est inutile de couper le compteur électrique de la maison, mais il vaut mieux débrancher les appareils électroniques (téléviseur, ordinateur, radio, fax) pour leur épargner les surtensions induites qui risqueraient de les détruire.

Éclairs

Les premières décharges se déclenchent au sein même du cumulo­nimbus : ce sont les fameux « éclairs de chaleur », que l’opacité du nuage empêche souvent de percevoir. Appa­raissent ensuite des décharges nuage- sol, avec la création de canaux électri­sés que les spécialistes appellent des « précurseurs » ou « traceurs ».

Un «précurseur ascendant» part d’un point au sol assez élevé (un arbre, une cheminée, ou un paratonnerre) pour rejoindre un «précurseur descendant» qui s’est détaché du nuage en progres­sant par bonds successifs, à raison d’une vingtaine de sauts par seconde, et se ramifie tout en progressant. Lorsqu’il n’est plus qu’à une centaine de mètres du sol, le traceur ascendant issu d’un objet élevé monte à sa rencontre.

Le point d’impact correspond à l’objet qui, le premier, se trouvera à distance d’amorçage du traceur descendant ; il ne se détermine qu’au tout dernier moment.

Contrairement à ce que l’on croit par­fois, un paratonnerre n’attire donc pas la foudre, mais renforce localement le champ électrique, ce qui favorise la for­mation d’un «traceur ascendant».

Le COURANT DE FOUDRE, en fait, ne cherche pas le trajet le plus court, mais celui qui offre le moindre résistance  électrique. Lorsque le contact est établi, se déclenche un arc en retour. Le résul­tat de ce court-circuit aérien est un éclair éblouissant. De nombreuses décharges, semblables à la première, vont emprunter ce canal pendant encore un centième de seconde avant de s’évanouir définitivement, mais avec une telle rapidité que l’œil semble n’avoir vu qu’un seul éclair, de forme brisée. Cette forme en zigzag des éclairs s’explique par les variations de conductivité électrique du milieu traversé et correspondent à un tronc commun, qui se subdivise en plu­sieurs branches. C’est donc la distri­bution des charges électriques — et non l’intensité du champ — qui déter­mine la trajectoire d’un éclair.

L’ensemble du phénomène ne dure que quelques centièmes de secondes, l’arc en retour étant encore plus bref: quelques dizaines de microsecondes !

Lors du coup de foudre, l’air chauffé localement à plusieurs milliers de degrés (parfois à 30 000 °C) émet une intense lumière blanche : c’est l’éclair.

Sa forte compression (multipliée par 100), suivie d’une dilatation brutale, produit une onde de choc sonore : c’est le tonnerre.

Celui-ci, formé de sons de basse fré­quence, est rarement entendu à plus de 20 ou 25 km,’ ce qui donne plus d’une minute entre la vision de l’éclair et la perception du son corres­pondant.

Pour se protéger de la foudre

Pour se protéger d’un impact direct, on a le choix entre deux méthodes : attirer la foudre sur un point précis ou î‘éloigner. Tout dépend du type d7équipe~ ment à protéger. Dans le pre­mier cas, avant de songer au paratonnerre, il faut savoir qu’une protection naturelle existe, offerte par des arbres élevés.

Solution facile et peu coûteuse, sous réserve qu’ils ne soient pas trop proches de l’habita­tion, afin d’éviter une décharge latérale, aussi destructrice. Un bouquet d’arbres judicieuse­ment réparti autour d’une mai­son, à une vingtaine de mètres du centre de rhabitation peut donc vous protéger.

Le Belge Melsens a proposé un moyen plus efficace, consistant à encercler une habitation par des lignes métalliques reliées à des grilles ou à des plaques métalliques enfoncées dans le sol, réalisant ainsi une cage de Faraday.

Le bâtiment est entouréd’une sorte de filet métallique à larges mailles {environ 10 m de côté], relié au sol par des prises de terre.

De petites tiges de 50 cm de long – les « pointes de choc»- sont disposées aux nœuds de ces mailles et sur les parties saillantes,comme les chemi­nées. Contrairement à un para­tonnerre, la protection ne concerne que l’intérieur du volume, et non l’environnement immédiat. Le bon vieux paratonnerre à tige, inventé en 1752 par Ben­jamin Franklin, est une tige métallique en cuivre ou en pla­tine, placée au sommet du bâti­ment à protéger, qui a pour rôle de faciliter la jonction avec un courant de foudre, puis de le conduire à la terre par un câble de descente. La protection sera d’autant plus efficace que le paratonnerre dépassera large­ment les points les plus élevés (cheminées, mâts, antennes) du bâtiment à protéger, et qu’il possédera une bonne prise de terre. Sinon, il est plus dange­reux qu’utile… Le paratonnerre à tige n’a guère évolué entre l’invention de Benjamin Franklin et les années 1920 où un progrès a été enregistré avec l’invention par le Hongrois Szillard du paratonnerre à source radioac­tive. Il s’agit d’une pointe dont la tête est garnie de fines lamelles d’un élément radioac­tif, Paméricitim-241. Sous la pression des écologistes, ce type de paratonnerre a été abandonné. Les dispositifs ioni­sants (apparus en 1982), ou à impulsions (1985) créent des aigrettes de signe électrique contraire à celui du nuage ora­geux, ce qui entraîne une avance à l’amorçage de la décharge ascendante, par conséquent une plus grande efficacité de capture de la foudre. Ce système, totalement fiutonome, pusse dans le champ

électrique ambiant l’énergie dont il a besoin pour générer ses « aigrettes », qui sont émises sur une fréquence déterminée. Son activité s’exerce dès que le champ ambiant, à l’approche d’un orage, dépasse une valeur cor­respondant au risque de fou­droiement. En théorie, pour une tige de Franklin, le rayon de protection est égal à la hauteur de la pointe multipliée par 1,7 (soit 12 ni pour un faîtage à 7 m). En ville, une maison dotée d’un tel paratonnerre ne pro­tège donc que les habitations contiguës. Dans le cas d’un clo­cher d’église, c’est un pâté de maisons qui peut être protégé, mais pas tout le village. Les paratonnerres ionisants sont, à hauteur égale, plus perfor­mants. Les modèles «passifs» protègent dans un rayon égal au double de leur hauteur, les «actifs» portent ce rayon à dix, voire vingt fois leur hauteur. Les meilleurs modèles protègent une zone de 100 m de rayon pour seulement S m de hauteur. Ce sont des paratonnerres de ce type qui sont installés au sommet des grandes tours (La Défense et Montparnasse, à Paris), ou qui protègent les plates-formes de lancement des fusées comme celle d’Ariane à Kourou.

Les paratonnerres ne sont obli­gatoires, en France, Depuis 1967, que sur quatre types de bâtiments: les maisons de retraite, les restaurants d’alti­tude, les installations indus­trielles classées, les immeubles de plus de 50 m de hauteur.

Vidéo : La physique de l’orage

Vidéo démonstrative pour tout savoir sur : La physique de l’orage

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