La foudre : le phénomène, ses effets, risques et prévention Symbole antique du courroux divin dans la main de Zeus, la foudre a longtemps fait peur aux hommes. Aujourd'hui, elle est mieux connue : mais on sait aussi que ce phénomène électrique naturel peut perturber les activités humaines et, en particulier, les circuits électriques (ou tout ce qui est électrique). Voici tout ce qu'il faut savoir sur la foudre. EDF réalise depuis 30 ans, dans ses laboratoires du site des Renardières, des essais visant à mieux comprendre les interactions foudre/installations de façon à mieux maîtriser les effets de la foudre. Les recherches portent en général sur l'accroissement de la qualité du produit "électricité" et en particulier sur l'amélioration de la fiabilité des matériels des réseaux électriques. Les ingénieurs travaillent en particulier sur les effets directs de la foudre (compréhension des mécanismes de son déclenchement, de sa propagation, de sa connexion sur les structures), évaluent les effets induits par la foudre par des techniques de modélisation et étudient la mise en place et l'efficacité de systèmes et méthodes de protection. Ces recherches sont stratégiques pour l'Entreprise car la foudre reste encore le facteur prépondérant de perturbations pour la clientèle. L'identification des modes de propagation de cette agression électrique naturelle permettra d'effectuer un meilleur diagnostic et ainsi, de mieux cibler et de rendre plus efficaces les méthodes et dispositifs de protection. 1. La foudre, qu'est-ce que c'est ? 2. Quand la foudre tombe… 3. La foudre et ses effets 4. Le point sur les risques 5. Prévenir et protéger Cliquez ici pour accéder à l'intégralité de notre dossier "Foudre" 1. La foudre, qu'est-ce que c'est ? La foudre, fille de l'orage Quand deux masses d'air dont la température et le degré d'humidité sont différents se rencontrent, l'air chaud et humide s'élève d'autant plus rapidement que la température ambiante diminue avec l'altitude : c'est le principe de la convection, qui fait naître des vents violents. La vapeur d'eau contenue dans la masse d'air la plus chaude se refroidit : elle forme des gouttes et de la glace. L'eau forme elle-même des nuages de plusieurs centaines de tonnes : ce sont les cumulo-nimbus. Instables, ces nuages vont rapidement se charger en électricité. Bientôt ces charges seront tellement importantes qu'elles se recombineront entre elles développant des arcs électriques intenses qu'on appelle des éclairs. Ceux qui tombent au sol constituent la foudre. Dans le même temps les hydrométéores (grêle, pluie) tombent au sol : c'est l'orage. Tous les orages ne se ressemblent pas Certains orages durent moins de deux heures : ce sont les orages de chaleur, les plus courants dans nos régions. Lorsqu'il est plus chaud que l'air, le sol réchauffe en effet une bulle d'air chargée de rosée qui s'élève et se condense en nuages. D'autres peuvent couvrir des zones de plusieurs milliers de kilomètres carrés et durer plusieurs jours : on les appelle orages océaniques. Ils se forment dans les régions tropicales, lorsque deux fronts d'air entrent en contact. Quand un nuage s'électrise… Le cœur d'un nuage, ce sont des masses d'eau dans différents états et des vents turbulents. Suite à des phénomènes électrostatiques complexes non encore complètement expliqués des charges électriques positives (un ou plusieurs électrons en moins) et négatives (un ou plusieurs électrons en plus) se séparent. Le haut du nuage se retrouve avec un excédent de charges positives, tandis que le bas du nuage se charge négativement. … il recharge notre planète ! Notre planète est chargée négativement par rapport à une couche atmosphérique complètement électrisée et qui s'appelle l'électrosphère. Par beau temps, la couche d'air atmosphérique qui nous entoure laisse fuir ces charges électriques car l'air n'est pas un isolant parfait : et notre planête se déchargerait en quinze minutes si la foudre des quelques 2000 orages permanents qui frappent notre terre ne venait assurer un équilibre électrique indispensable à la vie. 2 - Quand la foudre tombe Beaucoup d'éclairs pour peu de foudre Lorsque la différence de charges dans le nuage atteint un point critique, le rééquilibrage est brutal : il se produit une étincelle, qui est en fait un courtcircuit en forme d'arc électrique. 90 % de ces décharges ont lieu dans le nuage, ou entre les nuages, et sont rarement visibles à partir du sol. Ce sont les éclairs. Les 10 % restants ont lieu entre le nuage et le sol : c'est la foudre à proprement parler. Intéressons-nous ici au cas le plus fréquent : le coup de foudre négatif, qui se produit entre le bas du nuage et le sol. De l'électricité dans l'air La décharge traverse alors l'air, qui constitue un bon isolant. De petites décharges invisibles progressent par bonds de 30 à 50 m vers le sol. Un canal chargé négativement se forme : c'est sa Coup de foudre présence qui explique le bourdonnement déclenché artificiellement d'abeilles ou qui fait dresser les cheveux sur la à Saint-Privat-d'Allier tête des alpinistes. Mais alors attention : le coup de foudre est proche. La nature électrique de la foudre La terre, par beau temps, présente un champ électrique naturel positif, de l'ordre de 100 à 150 V/m. Lorsque le nuage d'orage approche, et sous l'effet des charges électriques négatives présentes en bas du nuage, le champ électrique ambiant va s'inverser et atteindre des valeurs de l'ordre de 20 kV/m. La foudre est alors susceptible de se développer, en particulier au niveau des zones pointues et métalliques des structures. C'est cette nature électrique de la foudre que Benjamin Franklin a vérifiée lors d'un orage en 1752, en installant une clef de métal sur la ficelle d'un cerf-volant. Cette expérience, fort dangereuse, est ainsi à l'origine de l'invention du paratonnerre. L'effet couronne et le feu Saint-Elme Ce champ électrique au sol de l'ordre de 20 kV/m se renforce au niveau des structures pointues et atteint localement des valeurs de 20 kV/cm. Des micro décharges électriques se produisent alors. Ce phénomène - appelé " effet couronne " - est parfois visible : les marins nomment "feu Saint-Elme" cette couronne qui apparaît en haut des mâts de bateaux. Un nouveau canal, et qui part vers le nuage est alors susceptible de se former : lorsque ces deux canaux, l'un descendant, et l'autre ascendant, se rencontrent, il se forme un pont conducteur entre le nuage et le sol et "la foudre tombe" ! 30 000° C dans un canal de 3 cm de diamètre Un courant électrique circule alors entre le nuage et le sol pendant quelques centièmes de seconde, dans un canal qui fait 3 cm de diamètre. En son sein, l'air atteint 30 000° C. L'intensité de ce courant (arc en retour) peut atteindre le million d'ampères (à comparer avec les quelques dizaines d'ampères des alimentations électriques de nos appartement !). Mais l'énergie ainsi dégagée n'est pas considérable : elle ne représente que l'équivalent de quelques litres d'essence et il est donc inutile d'espérer l'utiliser comme source d'électricité. 3- La foudre et ses effets Le tonnerre : un bruit d'explosion L'augmentation brutale de la température du canal de foudre va provoquer deux effets secondaires : un dégagement de lumière et une dilatation très brutale du canal d'air. Il se produit alors le même bruit que quand on crève un ballon de baudruche : c'est le tonnerre. Mais comme ce tonnerre provient de la totalité de l'intervalle entre le nuage et le sol, le son arrive en plusieurs vagues : c'est le roulement de tonnerre. Or le son se déplace à 300 m/s environ tandis que la lumière se propage sur la Terre de façon quasi instantanée : il suffit donc de compter les secondes qui séparent l'éclair et le tonnerre, puis de multiplier ce nombre par 0,3 pour savoir à combien de kilomètres environ la foudre est tombée. Une chaleur très communicative Lorsqu'elle tombe, la foudre communique une partie de sa chaleur à l'objet qu'elle touche. Celui-ci exerce une résistance au passage du courant (effet Joule). De plus la haute fréquence du courant de foudre fait que ce dernier reste localisé à la périphérie du métal (effet de peau) : il en ressort des échauffements très violents, qui peuvent aller jusqu'à la production d'étincelles. La foudre peut aussi transmettre sa puissance en heurtant l'objet et en le déformant. La foudre est une antenne La foudre et les petits arcs en retour qui la suivent agissent comme de grandes antennes émettrices d'ondes électromagnétiques. Les corps métalliques situés à proximité jouent donc le rôle d'antennes réceptrices. La foudre peut ainsi provoquer des surtensions, même à distance ! 4 - Le point sur les risques Le foudroiement On peut être frappé directement par la foudre, en montagne, par exemple, ou dans une plaine dégagée. La foudre peut aussi toucher un arbre ou un bâtiment, le faire s'effondrer, brûler ou provoquer une explosion de matières dangereuses. Les surtensions Les équipements électroniques et informatiques sont très sensibles aux perturbations électromagnétiques et aux surtensions. Une puce peut être "grillée", un système de sécurité s'arrêter de fonctionner. Il existe également des risques de pertes de données et de dérèglements informatiques, d'incendies et d'explosions. La diffusion par les réseaux. L'électricité, le téléphone, les télécommunications constituent des réseaux aujourd'hui très étendus. Sans une protection adaptée, la foudre frappant un point du réseau pourrait avoir des effets presque instantanés à des centaines de kilomètres de distance sans que personne ne puisse s'en rendre compte. Quelques chiffres En France, la foudre frappe environ un million de fois par an, soit deux coups au km2. Le risque que le ciel " nous tombe sur la tête " est donc très faible : statistiquement, un bâtiment a une chance d'être touché tous les 100 ans, un arbre tous les 200 ans et un homme tous les… 10000 ans ! Dans les faits, on ne compte qu'une quinzaine de décès parmi la soixantaine de personnes foudroyées chaque année. 5 - Prévenir et protéger Protéger un bâtiment Simulation du fonctionnement d'un paratonnerre Le principe du paratonnerre est simple : un objet métallique en hauteur est relié à la terre par un câble extérieur. Le métal attire la foudre, qui touche la terre en suivant le câble et sans passer par la construction. De même, le réseau de masses relie les zones métalliques d'un bâtiment (charpentes, faux planchers, antennes, etc.) à la terre. Il joue un rôle complémentaire à celui du paratonnerre en protégeant des perturbations électromagnétiques qui accompagnent la foudre. Des systèmes contre les surtensions Chacun de nous est équipé en standard d'un disjoncteur différentiel, qui coupe le courant en cas de surtension. Les entreprises peuvent aussi s'équiper d'un parafoudre : cet appareil absorbe les surtensions dues à la foudre et permet à un équipement de fonctionner sans jamais disjoncter. Protéger, une obligation légale en France Depuis l'arrêté du 28 janvier 1993, toutes ces protections, ainsi que des procédures renforcées d'exploitation, de maintenance et de contrôles, constituent des obligations légales pour les activités à haut risque en matière de foudre. C'est la première disposition légale au monde qui introduit une responsabilité humaine dans le cas d'un risque naturel. Météorage : le garde-foudre français La société Météorage exploite les 16 stations de détection de la foudre de Météo-France. Celles-ci localisent les coups de foudre, identifient leur type et mesurent leur intensité. A partir de ces informations, Météorage dresse des cartes et informe ses clients abonnés. Lorsqu'un coup de foudre survient dans un périmètre donné, c'est souvent le signe annonciateur de l'arrivée d'un orage. Ariane ne craint pas la foudre du ciel Savez-vous qu'une fusée comme Ariane est très exposée aux risques d'orage, sur le pas de tir comme au décollage ? En effet, lors d'un orage, elle peut provoquer un coup de foudre en traversant l'atmosphère. Installée à Kourou (Guyane), la station SAFIR est justement là pour détecter la foudre sur le site : elle est en mesure de donner l'alerte une demi-heure avant le début d'un orage. D'autres stations du même type équipent les sites sensibles (armement, pétrochimie, etc.). Pour en savoir plus, accédez à notre dossier complet en cliquant ici.