Résumé de la conférence Foudre SAPO

La Foudre
Francis DELAHAYE
Membre et Lauréat de la Société Astronomique de France
Membre de la Société d’Astronomie des Pyrénées Occidentales.
Historique
Aux temps préhistoriques, la foudre allumait des branches sèches fournissant lumière et
chaleur aux premiers hommes longtemps avant que ceux-ci n’aient appris à faire eux-mêmes
du feu. Suivant de nombreuses mythologies, seuls les dieux possédaient ce feu.
Des peintures rupestres décrivent déjà la foudre. Ses effets destructeurs sont symbolisés par
des pierres et des haches lancés depuis le ciel. En France, on peut observer sur le site
archéologique de la Vallée des Merveilles dans le massif du Mercantour plusieurs milliers de
motifs datés de 2500 ans av JC.
Les historiens considèrent que la première évocation de la foudre remonterait à 2000 ans avant
notre ère. Elle représente une divinité féminine qui tient dans ses mains des éclairs, elle fut
découverte lors des fouilles près d’Isin et datée de la première époque babylonienne.
Les dieux kérauniques étaient porteurs d’un trident qui était l’attribut de la foudre. Ce trident
était censé servir à percer les nuages afin de jeter la foudre et libérer la pluie. Ces mythes sont
nombreux : Jupiter chez les romains, Zeus chez les grecs, Seth chez les égyptiens, Thor chez
les scandinaves, Taranis chez les celtes…
Au moyen âge, avec la domination idéologique de l’église, le fait d’être victime des effets de
la foudre était considéré comme un châtiment. Afin de conjurer les effets dangereux de la
foudre, le Moyen Age chrétien eut recours aux saints. Ainsi Barbara, née au début du
troisième siècle s’était convertie au christianisme. Jetée en prison par son père, elle fut
soumise au supplice. Refusant de renier sa foi, il la décapita. En redescendant de la montagne
où il avait accompli ce forfait, le père fut envoyé en enfer par un violent éclair.
Barbara devenait Sainte Barbe que l’on associa au bruit et au feu. On la suppliait pour être
épargné des effets de la foudre.
Plus tard, les guerriers craignaient ces petits filaments bleu violet s'échappant du bout de leurs
lances dressées, tandis que les navigateurs redoutaient ces mêmes égarements lumineux
s'élevant soudain à l'extrémité des vergues et des mats, pendant les tempêtes. Ces signes, les
feux de Saint Elme, pouvaient être annonciateurs de coups de foudre. Aujourd'hui, on peut les
observer au sommet d'autres tiges, les paratonnerres.
L’électrostatique
Francis Delahaye / SAPO / La foudre
Page 1
La découverte de l’électrostatique remonte à l’Antiquité avec la découverte de l’attraction des
corps légers par l’ambre effectuée par Thales. Au quatorzième siècle, William Gilbert,
médecin de la famille royale, est le premier physicien à différencier l’électrostatique et le
magnétisme par une approche expérimentale.
Gilbert nomme « electrica » l’ensemble des phénomènes d’attraction.
En 1660, Otto Van Guericke, physicien allemand généralise le phénomène d’attraction par
frottement avec certains corps. Ces travaux aboutiront à la première machine capable de
produire de l’électricité statique. Elle est composée d’un globe de soufre que l’on électrise en
le frottant avec la main.
En 1729 Gray précise les différences de comportement entre conducteurs et isolants. Il
expérimente la conduction électrique.
En 1734, Du Fay constate que certaines charges s’attirent et d’autres se repoussent. Il doit
exister deux sortes d’électricité.
En 1745, une invention capitale va permettre à l’électricité et à la foudre de se rapprocher.
C’est « la bouteille de Leyde ». Elle fut réalisée la première fois dans la ville de Leyde aux
Pays Bas par Pieter Van Musschenbroeck. Elle permet d’accumuler et de décharger une
grande quantité de « feu électrique » : le condensateur électrique est né.
Benjamin Franklin est l’inventeur des termes conducteur, charge électrique, électricité
positive et négative. En 1750, il démontre à l’aide d’un cerf volant, que les éclairs de la
foudre sont de simples décharges de nature électrique. Ces recherches conduisent à
l’invention du paratonnerre.
En 1796, Charles Augustin Coulomb montre qu’une aiguille aimantée perd tout magnétisme
vers 700° et découvre la loi de la force électrostatique qui porte aujourd’hui son nom.
A la fin du 18ième siècle, les édifices publics seront équipés de paratonnerres.
Rien n'était alors épargné par la foudre, qui s'abattait indifféremment sur les pylônes et les
lignes de l'EDF, les antennes d'émission et de relais de télévision et de radio, les arrivées de
câbles de France Télécom, ou les aéronefs. Quand enfin, il y a quelques années, on a compris
qu'il valait mieux prévenir que guérir, plusieurs pays se sont lancés dans de vastes
programmes de recherches, afin de réaliser et de valider des systèmes de protection contre la
foudre. Un domaine d'investigation hautement concurrentiel dans lequel la France occupe
l'une des toutes premières places.
Francis Delahaye / SAPO / La foudre
Page 2
L’atmosphère terrestre et les nuages
On appelle atmosphère, l'enveloppe gazeuse qui entoure la Terre. Les gaz sont maintenus
autour de notre planète par la force gravitationnelle qui la retient et l’empêche de s'échapper
vers l'espace.
La première couche, celle dans laquelle nous vivons, s'appelle la troposphère. Elle est épaisse
d'une dizaine de kilomètres, et elle est caractérisée par une décroissance moyenne de la
température avec l'altitude de 0,65 °C par 100 mètres. La troposphère est la couche dans
laquelle ont lieu l'immense majorité des phénomènes météorologiques ; elle contient presque
toute la vapeur d'eau et par conséquence les nuages.
La limite supérieure de la troposphère s'appelle la tropopause. Son altitude varie en fonction
de la latitude, ainsi que de la situation météorologique. On la trouve en moyenne vers 6 à 8 km
aux pôles, 11 km aux latitudes tempérées et vers 16-18 km aux latitudes équatoriales.
Un nuage est une accumulation d’hydrométéores liquides ou solides, en suspension dans une
région plus ou moins épaisse de la troposphère. Leur formation provient de la transformation
de la vapeur d’eau en gouttelettes d’eau ou en particules de glace, le plus souvent à la suite du
refroidissement d’un volume d’air suffisamment humide.
On distingue les nuages en amas ou nuages cumuliformes et les nuages en couches ou nuages
stratiformes.
Le cumulo-nimbus
Le nuage de la foudre est le cumulo-nimbus. Il est facile à reconnaître quand il est isolé. De
loin il a une forme d'enclume; de dessous il est tout noir ! Il est provoqué par l'ascension d'un
air humide et instable. Si le déclenchement des ascendances est provoqué par le relief ou toute
autre cause locale, l'orage est dit de convection. S'il est provoqué par la rencontre d'un front
chaud et d'un front froid, l'orage alors y très étendu est dit de front. Au coeur du nuage, de
furieuses ascendances, plusieurs dizaines de mètres par seconde, propulsent des particules en
suspension appelées hydrométéores de tailles variables (eau, glace...) jusqu'à une altitude de
10 à 15 km. Le frottement entre ces hydrométéores engendre une électrisation suivie d'une
séparation des charges variant avec la taille des gouttes et des cristaux de glace. Les particules
les plus légères porteuses de charges positives sont attirées vers le haut par les courants
ascendants, alors que les noyaux les plus lourds et chargés négativement sont précipités vers
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.
Francis Delahaye / SAPO / La foudre
Page 3
- dans la partie centrale composée de glace et d'eau en surfusion (eau restant liquide à des
températures très inférieures à 0°C) et dans laquelle existe une vaste zone horizontale de
charges négatives principales. C'est à ce niveau, compris entre des températures de - 10°C à 24 °C, que régneraient les champs électriques les plus puissants.
- dans la partie supérieure (enclume) entièrement constituée de glace et où l'on trouve
en grande quantité les charges positives supérieures, pour une température moyenne variant de
- 40 ° C à - 60° C. Signalons l'existence d'une fine couche de charge négative autour du
sommet nuageux qui pourrait provenir d'un phénomène d'ionisation dû aux rayons cosmiques.
Le cumulo-nimbus se comporte comme une énorme machine électrostatique dont la partie
basse, jusqu'à une altitude de 5 km environ, se charge de particules lourdes négatives et la
partie haute des particules positives plus légères. La charge électrique totale dissociée est de
l'ordre d'une centaine de coulomb.
Photo Philippe Talleu (Chasseurs-orages.com)
Le phénomène orage
Les phénomènes orageux se produisent essentiellement au sein de la troposphère. L'altitude
maximale de celle ci culmine à environ 18 km au niveau de l'équateur et décroit
progressivement jusqu'à environ 6 km aux pôles. En France, elle atteint en moyenne 10-12 km
en été, altitude à laquelle culminent les nuages orageux. Constituées 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 cumulonimbus, nuages à fortes extensions verticales et horizontales
dans de l'air instable, chaud et humide. On explique ainsi leur rareté au delà du 60ème
parallèle et leur inexistence dans les régions polaires.
Les orages de convection sont dus à l'effet combiné de l'humidité et du réchauffement de l'air
près du sol. Relativement localisés, ils se produisent principalement au cours de l'après midi
durant la saison chaude.
Accentués par le relief et notamment par les versants montagneux exposés aux flux qui
obligent l'air chaud à s'élever, les orages orographiques deviennent plus intenses et répétitifs
sous l'influence d'une onde préfrontale. Même dans une situation faiblement orageuse, il n'est
pas rare de voir se former un cumulonimbus isolé sur un sommet montagneux.
Les orages frontaux résultent de la rencontre entre deux masses d'air dont les températures et
les taux d'humidités présentent des contrastes plus ou moins marqués. Une perturbation
comprend un front chaud, un secteur chaud et un front froid. Dans le cas le plus fréquent, le
retrait d'un anticyclone vers l'Est permet la pénétration d'air instable et humide lorsqu' une
dépression centrée sur le proche Atlantique commande sur l'Europe occidentale un flux de
secteur Sud.
Francis Delahaye / SAPO / La foudre
Page 4
Les orages de types frontaux ou non frontaux peuvent se rencontrer sous trois organisations
différentes:
- Orage isolé: monocellulaire.
- Orages organisés: multicellulaires.
- Orages supercellulaires.
Le phénomène foudre
Le phénomène foudre est sérieusement étudié depuis un peu plus d'un siècle. Il est désormais
statistiquement bien connu.
" Il s'agit d'une spectaculaire décharge électrostatique disruptive entre un nuage et le sol. Ce
n'est que de l'électricité dans l'air !"
Photo Patrick Muller SAPO
Si l'on ne sait pratiquement rien du déclenchement de l'étincelle de foudre, dernier rempart du
mystère jupitérien, en revanche, on connaît parfaitement ce qui se passe quelques instants
après, dès que la première décharge quitte le nuage: le coup de foudre repose sur la rupture
d'équilibre entre les champs électriques du nuage et du sol. La première décharge, appelée
précurseur, s'échappe du nuage orageux et produit le canal de l'éclair. Ce dernier progresse
vers le sol de façon saccadée, en se déplaçant par bonds de l'ordre de 50 m à la vitesse
maximale de 300 km par seconde. Sa progression, entre deux paliers est due à un déséquilibre
du champ électrique provoqué par des charges successives à l'avant du canal.
En s'approchant de la surface terrestre, cette décharge finale entraine une élévation du champ
électrique et induit alors une autre décharge, de polarité inverse, qui s'élève du sol. A quelques
100m de hauteur, ces deux phénomènes se connectent et occasionnent un formidable court
circuit de plusieurs dizaines de milliers d'ampères entre le nuage et la Terre. A ce moment
seulement apparait, le long du canal formé, une décharge d'une extrême violence, l'onde de
retour qui grimpe vers le nuage à 100000 km/s et déclenche un formidable éclair, surchauffant
l'air traversé, qui se détend en produisant une onde de choc, d'où nait le grondement du
tonnerre.
Si le nuage contient encore une charge électrique plus élevée que celle absorbée vers le sol,
d'autres décharges peuvent l'agiter pendant quelques dizaines de millisecondes. Puis une
seconde décharge précurseur se forme et gagne de nouveau le sol entrainant une seconde onde
de retour. Le phénomène s'entretient ainsi jusqu'à ce que le nuage soit totalement déchargé.
Mais lorsque la foudre s'abat, elle provoque au niveau du sol un rayonnement
électromagnétique sur plusieurs centaines de mètres.
L'éclair entre nuages est appelé intra nuageux, celui entre un nuage et le sol est dit coup de
sol. Sous nos latitudes, entre 30° et 60 °, il y a entre deux et trois fois plus d'éclairs intra
nuageux qu'au sol. Des mesures radio indiquent que le nombre de pré-décharges dans les
nuages seraient bien plus nombreuses que les coups au sol, mais leurs amplitudes restent
Francis Delahaye / SAPO / La foudre
Page 5
modestes. Les coups au sol ont évidemment, des effets plus sévères sur les matériels que les
décharges intra nuageuses.
Photo: Henri Aurignac SAPO
L'éclair et coups de foudre
L'éclair est une violente manifestation lumineuse, qui se produit lorsqu' un courant électrique
porte les gaz de l'air à une très haute température et les rend incandescent. L'air s'échauffe
ainsi car il est très mauvais conducteur de l'électricité. Il existe plusieurs types d'éclairs:
- L'éclair intra nuageux est une décharge électrique d'altitude à l'intérieur d'un nuage
d'orage et dont le graphisme n'apparait pas. L'observateur ne perçoit qu'une lueur diffuse et
floue, plus ou moins intense. On estime que 70 à 80 % des éclairs sont de ce type,
particulièrement en zones tropicales. Des décharges intra nuageuses ininterrompues,
illuminant l'intérieur d'une ligne de cumulo-nimbus, sont le signe d'orages destructeurs
(notamment en période caniculaire et à l'approche d'un front froid).
- L'éclair en nappe est une succession de décharges intra nuageuses se propageant assez
lentement sur les sommets d'une ligne de cumulonimbus.
- L'éclair inter nuageux est une décharge électrique aérienne dont le graphisme apparait
nettement. Certains de ces éclairs peuvent mesurer plusieurs dizaines de km.
- Le coup de foudre est une décharge électrostatique entre le nuage et le sol. Il est le grand
responsable des accidents attribués aux éclairs.
Photo Christophe Suarez (Chasseurs-orages.com)
Le tonnerre
Le tonnerre est le son qui suit l’apparition d’un éclair. Le passage du courant cause une
véritable élévation de la température de l’air pouvant atteindre 25000°C voir 30000°C, ce qui
a pour effet de faire monter la pression interne dans le canal de l’éclair (surpression). La
pression à l’intérieur du canal étant considérablement plus élevée que la pression extérieure,
une violente dilatation entraîne l’explosion de celui-ci qui se propage sous la forme d’une
Francis Delahaye / SAPO / La foudre
Page 6
onde de choc, puis d’une vibration acoustique dont l’intensité sonore sera proportionnelle à
l’amplitude du courant et inversement proportionnelle à la distance de l’éclair.
Valeurs des champs électriques
Sur terre, le champ électrique par beau temps entre le sol et l'ionosphère (couche conductrice à
une altitude de 50 à 60 km) est de l'ordre de 200V/m, la terre étant négative. Le courant
continu total terrestre qui fuit à travers cet énorme condensateur est d'environ 2 kA. La foudre,
par ses 300 éclairs par seconde, est le phénomène qui permet aux charges négatives qui
s'élèvent lentement par beau temps de revenir sur terre.
Le champ électrostatique en plaine, juste avant une décharge, est compris entre 10 et 20 kV/m.
Il est très supérieur en montagne à cause du renforcement du champ électrique par effet de
pointe. Ce champ n'a aucun effet sur les systèmes. Les effluves au bout des pointes
conductrices nommées Feux de Saint Elme sont la conséquence visible d'un champ électrique
intense.
La hauteur d'un éclair étant d'environ 5 km, la différence de potentiel entre le nuage et le sol
est de l'ordre 100 MV. La foudre est un générateur de courant parfait.
Le niveau Kéraunique
Bien que les orages français se produisent toute l'année, on considère que la véritable période
orageuse débute vers la fin du mois d'avril et se termine vers la fin du mois d'octobre. En règle
générale, les orages se déplacent du Nord Ouest au printemps vers le Sud Est en automne.
Le niveau kéraunique est le nombre moyen de jours annuels durant lesquels le tonnerre est
entendu. Ce comptage fût longtemps le seul moyen d'évaluer l'occurrence de la foudre. Ce
niveau varie en France, selon les régions, entre 5 et 40. Le niveau kéraunique maximum est
celui du Sud du Massif Central et du Nord des Alpes.
Celui de l'île de Java dépasse 200 !
Des relations empiriques estiment le nombre moyen de chocs annuels au sol par km carré.
Malgré quelques variations selon les méthodes de comptage, les estimations sur le territoire
métropolitain avoisine 1,6 millions de chocs annuels, soit en moyenne trois chocs par km².
Des dispersions considérables sont observables à l'échelle locale. Elles sont provoquées par
des instabilités atmosphériques dues au relief, à de grands rideaux d'arbres en plaine, au
gradient de température du sol, à de grandes agglomérations ou des industries lourdes...
La société Météorage sur le site de Pau, filiale de Météo Fr ance est:
- Opérateur du réseau français de détection des impacts de foudre depuis 1987.
- Concepteur et fournisseur de services pour la gestion du risque foudre dans le monde.
- Expert scientifique et technique, membre Euclid.
- Maître d’œuvre pour l’installation et la gestion de réseaux de détection dans le monde.
Météorage - 2015
Francis Delahaye / SAPO / La foudre
3
Page 7
La foudre en boule
Ce n’est ni une météorite, ni une comète, ni quelque objet solide. Parfois, on peut apercevoir
dans le ciel, une sorte de boule de feu qui se déplace seule dans l’air, horizontalement ou
verticalement, disparaissant au bout de quelques secondes.
Il s’agit d’une interaction entre la foudre et la terre pour produire cette boule rougeoyante. Ce
phénomène engendre une forme de plasma poussiéreux.
La Recherche n°497 Mars 2015
Des éclairs en haute atmosphère
C’est donc tout à fait fortuitement que l’on détecta, en 1989, sur l’enregistrement vidéo d’un
lanceur spatial, d’impressionnants flashs lumineux, à une altitude largement supérieure à 50
kms, en surplomb d’un orage distant. Peu de temps après, l’utilisateur de caméras embarquées
à bord de la navette spatiale vint confirmer ces premières observations, qui faisaient écho à
quelques témoignages de pilotes d’avions civils et militaires.
- Se développent entre 50 et 90 kms d’altitude les « Red sprites », décharges multifilamentaires géantes, émettant une lueur rouge.
- Emergeant du sommet du cumulonimbus, de couleur bleue, plus compacts, les « blue jets »
ou leurs cousins les « giant blue jets » qui peuvent se propager verticalement jusqu’à près de
70 kms.
- Enfin d’immenses anneaux en expansion radiale observés vers 100 kms d’altitude, associés
le plus souvent aux red sprites baptisés « Elves » ou « Elfes ».
Ces phénomènes fugaces, d’une durée de quelques dizaines à quelques centaines de ms sont
associés à des ondes électromagnétiques de très basse fréquence. Une analyse systématique de
ces ondes a montré que les décharges de haute atmosphère se produisant à une cadence de
l’ordre de un à deux évènements par minutes sur l’ensemble du globe.
Francis Delahaye / SAPO / La foudre
Page 8
Les orages dans le système solaire.
- Après une analyse détaillée des observations radio effectuées par la sonde spatiale Cassini
lors de ses deux survols de Vénus (1998 et 1999), une équipe de chercheurs a conclu à
l’absence d’éclairs d’orages de type terrestre dans l’atmosphère de cette planète.
- Les missions d’exploration martienne de la NASA et du télescope Hubble ont fourni
d’impressionnantes images des orages de poussières martiens, dont l’envergure locale va de
100 à 2000kms. Mais les mouvements de l’atmosphère martienne ne semblent s’accompagner
d’aucuns éclairs, l’étude des 140 millions de mesures effectuées par le radar de la sonde Mars
Express n’ayant permis la détection d’aucun phénomène ne pouvant s’apparenter de près ou
de loin à des décharges électriques.
- Les vitesses d’ascension observées dans les nombreux orages de Jupiter atteignent 150m/s
très supérieures aux vitesses caractéristiques des orages terrestres 10 à 20 m/s. Ils sont
toujours accompagnés d’éclairs, d’intensité voisine de celle observée sur Terre. Les éclairs de
Jupiter ont été observés optiquement avec des temps de pose assez longs mais aucune
émission radiofréquence n’a été détectée.
Des images de l’Agence Spatiale Américaine en révèlent pour la première fois sur un des
pôles de Jupiter par le passage de la sonde New Horizon en transit pour Pluton.
- Titan, satellite de Saturne, pourrait être le siège d’éclairs nuages-sol, accompagnant les
violents orages de méthanes visibles au télescope depuis la terre. Des impulsions de champ
électrique ont été effectivement détectées par les instruments de la sonde européenne Huygens
au cours de sa descente.
- Des centaines d’éclairs ont été observés sur Uranus par les sondes Voyager en 1986 et il
semble qu’un orage de méthane persistant y ait été détecté.
- Siège des vents les plus rapides du Système Solaire, Neptune connait des orages internes
comme la Grande et la Petite tâche sombre vus par Voyager.
- Mais les orages les plus impressionnants sont ceux observés sur Saturne avec des vitesses
ascendantes de plus de 150m/s au cœur de systèmes géants et de très longues durées. Ces
orages sont accompagnés d’éclairs dix mille fois plus intenses que sur Terre, et obéissant
apparemment à un cycle saisonnier. Des milliers de décharges, ont été observées sur Saturne
dès 1982 par les sondes de Voyager 1 et Voyager 2.
Francis Delahaye / SAPO / La foudre
Page 9
Remerciements:
- Météorage: Stéphane SCHMITT www.meteorage.fr
- Chasseur d’orages: Christophe SUAREZ : www.suarez.fr
- Chasseur d’orages: Philippe TALLEU: www.yserphoto.com
- Chasseur d’orages : www.chasseurs-orages.com
- Patrick MULLER et Henri AURIGNAC SAPO
- Michel BURDA Elmstein (Allemagne)
Livres:
- Traqueur d’orages Alex HERMANT Nathan
- Doit-on craindre la foudre? Christian BOUQUEGNEAU EDP Sciences
- L’électricité atmosphérique et la foudre Alex HERMANT et Christian LESAGE Que
sais je?
- Terre d’orages Anne BONDIOU et Jean Louis FELLOUS CNRS Editions
- La foudre C.GARY Ed Masson
- La foudre et la protection des installations Collection technique Groupe Schneider
www.education.meteofrance.fr
www.keraunos.org
www.ineris.fr
Francis Delahaye / SAPO / La foudre
Page 10