La foudre : le phénomène, ses effets, risques et prévention

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
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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 court-
circuit 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
présence qui explique le bourdonnement
d'abeilles ou qui fait dresser les cheveux sur la
tête des alpinistes. Mais alors attention : le coup
de foudre est proche.
Coup de foudre
déclenché artificiellement
à Saint-Privat-d'Allier
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
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.
Simulation du
fonctionnement d'un
paratonnerre

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.).
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