La foudre, un phénomène visible mais aussi audible

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La foudre, un
phénomène visible
mais aussi audible
Fabre Maxime, Lepot Florian, Salib Jérémy, Urbaneja Dorian
TAI de Voix Image L1
Table des matières
Introduction............................................................................................................................................. 2
Formation des orages .............................................................................................................................. 3
La formation d'un cumulonimbus ....................................................................................................... 3
Le nuage accumule de l'eau ................................................................................................................ 3
L'électrisation du nuage ...................................................................................................................... 4
L’éclair ..................................................................................................................................................... 6
Les signes précurseurs de la foudre ................................................................................................ 6
Le tonnerre ............................................................................................................................................ 11
Du roulement de tambour aux grondements sourds ....................................................................... 12
Conclusion ............................................................................................................................................. 13
Netographie........................................................................................................................................... 14
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Introduction
Depuis l'aube de l'humanité, l'homme est fasciné par la foudre. Il attribuait alors au
phénomène orageux une dimension mythique qui traduisait la colère des dieux.
C'est à partir du XXème siècle que l'étude de la foudre est devenue une science. On
découvre alors que les orages sont indispensables à la vie, qu'ils assurent le maintien du
champ électrique de notre planète.
Depuis le milieu du XXème siècle à aujourd'hui, le développement des réseaux de transport
et de distribution d'énergie, de l'informatique et de l'électronique motive sérieusement la
recherche en matière de protection contre la foudre et donc sur le phénomène lui-même.
La foudre en France en quelques chiffres :
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- une moyenne de 1 000 000 de coups de foudre par an (source Météorage)
- le coût annuel des dommages causés par la foudre se chiffrent en centaines de
millions d'euros
- entre 8 et 15 morts par an (source Association .Protection. Foudre)
- 20 000 animaux foudroyés
- 20 000 sinistres dus à la foudre dont 15 000 incendies
- 50 000 compteurs électriques détruits
- 250 clochers détruits
Bien que l'on puisse observer des éclairs dans des tempêtes de sable, de neige ou dans les
nuées ardentes des éruptions volcaniques, le principal générateur d'orage est le cumulonimbus.
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Formation des orages
La formation d'un cumulonimbus
Un orage se forme lorsqu'il y a une grande instabilité dans l'air: c'est à dire qu’il y a de l'air
chaud à la surface du sol et de l'air froid dans la haute atmosphère. L'air chaud va monter
(Les courants ascendants atteignent rapidement 30 mètres /seconde) et à mesure qu'il va
s’élever sa température va chuter (à raison de 1°C tous les 160 mètres). Cette baisse de
température va entrainer la condensation de la vapeur d'eau présente dans la bulle d'air
chaude, de petites gouttelettes apparaissent : c'est le début de la formation du nuage.
Le nuage accumule de l'eau
Bien qu'il fasse de plus en plus froid la condensation s'accompagne d'un dégagement de
chaleur qui se transmet à l'air, d'où une masse d'air qui continue son ascension. Cependant
en arrivant dans la troposphère un état d’équilibre s’établit car la température y est plus
élevée ; le nuage ne peut donc pas continuer sa progression. Le nuage "s'écrase" alors à son
sommet, ce qui lui donne sa forme d'enclume. Il peut culminer jusqu'à 14km d'altitude. A
une certaine altitude le nuage se trouve dans une zone où la température est inférieure à
0°C, les gouttes d'eau gèlent et se transforment en grêlons. Les nuages orageux contiennent
plusieurs centaines de milliers de tonnes d'eau, qui peuvent donner lieu à des précipitations
massives et violentes.
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L'électrisation du nuage
A cause de la vitesse des mouvements ascendants et descendants on va assister à un
phénomène d'électrisation par frottements ; du fait des chocs que subissent les atomes
présents dans les nuages ceux-ci s'arrachent des électrons les uns aux autres: ceux qui ont
perdu des électrons deviennent plus légers (charges positives ) que ceux qui en ont
gagné ( charges négatives ), les charges positives vont donc se retrouver en haut du nuage
tandis que les charges négatives vont se retrouver à la base de celui-ci. On aura ainsi entre 2
et 6 km d'altitude, un nuage constitué de particules d'eau, chargées négativement et audessus des particules de glace chargées elles positivement.
Le nuage va alors devenir un énorme réservoir de charges électriques. Un excès de charges
négatives va se masser à la base du cumulonimbus, en réaction, le sol et différents objets à
la surface se chargent positivement. Le champ électrique est particulièrement élevé dans les
reliefs ou au voisinage des points (clochers, arbres...).
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Un champ électrique de plus en plus important va se créer jusqu'à ce que l'air normalement
isolant ne le soit plus: un énorme flux de charges négatives jaillit alors de la base du
cumulonimbus pour aller rejoindre les charges positives présentes à la surface du sol.
En résumé par un croquis :
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L’éclair
Les signes précurseurs de la foudre
Il y a d'abord déplacement de traceurs (à la vitesse de 200 km/s environ) qui ionisent
l'atmosphère sur leur trajet. Ces traceurs sont des particules chargées pouvant partir du
nuage (majorité des cas) ou des objets au sol. Accélérés par le champ électrique, ils ont une
énergie suffisante pour ioniser l'atmosphère, créant ainsi de nouvelles charges qui sont
accélérées à leur tour par le champ électrique.
Lorsqu'un canal ionisé est établi entre le sol et le nuage (typiquement, ce canal a un
diamètre de 2 à 3 cm), une ou plusieurs décharges se produisent. Ces décharges constituent
la foudre proprement dite. Elles se déplacent à une vitesse de l'ordre de 40.000 km/s, c'està-dire plus d'un dixième de la vitesse de la lumière, et correspondent à une tension de
l'ordre de 100 millions de Volts et un ampérage de 30.000 A. Le long du trajet de la décharge,
l'air peut atteindre une température de 30.000°C, c'est-à-dire une température semblable à
celle de la surface du Soleil.
Il existe différents types d’éclairs qui sont :
Les éclairs intra nuageux. La disposition des charges électriques dans le nuage crée des
différences de potentiels entre le sommet et la base du nuage, l'attraction entre les charges
électriques de ces deux parties du nuage peut, lorsqu'elle est assez grande créer un claquage.
La foudre générée par cette attraction permet de rééquilibrer électriquement le nuage.
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Ensuite les éclairs inter nuageux. C'est le même phénomène que pour les éclairs intra
nuageux mis à part que cela se produit entre deux nuages différents.
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Enfin le dernier type d'orage ne représente que 20% des éclairs. Ce sont les éclairs
nuages/sol qui visent à rééquilibrer électriquement la terre et l'air.
Pour cette dernière catégorie on distingue trois différentes classifications :
-
Les éclairs ramifiés : les charges électriques tâtonnent, elles s'engagent dans
différentes voies jusqu'à ce que l'une d’elles atteigne la terre. À partir de ce moment
toutes les autres charges passent par le chemin déjà emprunté.
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-
Les éclairs fulminants représentent un seul arc courbé.
-
Les éclairs sinueux quant à eux sont composés de nombreux traits et de segments
bien apparents
Quelques caractéristiques des éclairs :
-la longueur de l'éclair varie de 100m a 20 km. Sa vitesse peut atteindre 40.000km/h. Son
diamètre est d'environ 3cm
-sa température est de 30.000 degrés autour du traceur.
-L'intensité électrique de la foudre atteint 30.000 ampères pour une tension de 100 millions
de volts.
-Enfin la couleur de l'éclair est révélatrice de la composition de l'air ambiant ; l'éclair est
généralement rougeâtre s'il y a de l'eau dans l'atmosphère, blanc si l'air est très sec, jaunâtre
s'il y a de la poussière, bleu s'il y a de la grêle.
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Croquis résumé :
Avec :
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Eclair air-sol
Eclair inter-nuageux
Eclair intra-nuageux
Décharge en nappe
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Le tonnerre
L'éclair, phénomène lumineux, n'est pas responsable du bruit lors d'un orage, il n'est
qu'une conséquence, comme le tonnerre, d'une manifestation électrique : le coup de foudre.
Par temps "d'orage", la base du nuage accumule des charges négatives, alors que le sol est
se charge positivement. Or ces charges électriques opposées sont fortement attirées l'une
vers l'autre.
Quand elles deviennent trop importantes, la couche d'air intermédiaire, isolante, ne peut
plus les empêcher de se rejoindre. Les positives rencontrent les négatives : une décharge
électrique se produit. Chose que nous avons expliqué plus en profondeur auparavant.
Cette réaction physico chimique ne se fait pas sans conséquences ; tout au long de la
trajectoire de la foudre, lors du passage du courant, les gaz sont surchauffés à près de
30 000°C.
La variation de la température entraîne une dilatation brutale de l'air qui ainsi déplacé à une
vitesse supérieure à celle du son entraîne la formation d’ondes de choc, comparables à
celles produites par un coup de canon; c'est ce que l’on appelle le tonnerre. Ce bruit est
d'autant plus fort que le courant a été intense; il dépend de la distance, de la longueur, et de
l'orientation de l'éclair. Voici quelques illustrations de ce qui se produit :
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Du roulement de tambour aux grondements sourds
S'il s'agit d'un impact proche, le bruit est court et intense : on entend un craquement sec. En
revanche, si l'on se situe à plusieurs kilomètres, le son en provenance des différentes parties
du trajet de la décharge électrique arrive à nos oreilles à des moments différents (cela est dû
à la vitesse du son qui est d’environ 340 m/s). De plus, les réflexions multiples du bruit, sur
les nuages par exemple, peuvent contribuer à allonger la durée du tonnerre. Et l’on entend
alors un long "roulement de tambour", voire une succession de grondements sourds.
De plus, les différentes fréquences de l'onde sonore produite par l'éclair ne se propagent pas
non plus toutes de la même façon. Les fréquences les plus hautes sont anisotropes : elles se
propagent essentiellement suivant une direction perpendiculaire au canal de l'éclair, tandis
que les fréquences les plus basses se propagent de la même façon dans toutes les directions.
Grâce à ces phénomènes acoustiques et lumineux, on peut déterminer où se situe la
décharge électrique. En effet, comme la lumière se déplace plus vite que le son, le ciel ne
s'illumine pas au même moment que survient le grondement. En comptant les secondes qui
séparent les éclairs du tonnerre, et en multipliant ce nombre par la vitesse du son, on
obtient la distance à laquelle la foudre est tombée.
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Conclusion
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Netographie
http://www.linternaute.com/savoir/diaporama/orages/orage4.shtml
http://culturesciencesphysique.ens-lyon.fr/XML/db/csphysique/metadata/LOM_CSP_QRorages.xml
http://www.meteorage.fr/meteorage.fr/foudre_phenomene_physique.php?page=2
http://www.orage74.123.fr/pages/formation_oragespag.html
http://www.linternaute.com/savoir/diaporama/orages/pourquoi_eclair.shtml
http://www.maths-et-physique.net/article-32764813.html
Et important :
http://energieetfoudre.over-blog.com/
Je voudrais que tu vérifies les phrases surtout pour ce qui est de l’introduction et des éclairs car il y a
beaucoup de copier/coller, que tu me fasses une petite conclusion avec 2, 3 généralités et en
expliquant que avec la vitesse de la lumière et du son d’un éclair, on peut situer la distance de celui-ci.
Pour finir j’aimerais bien que tu ajoutes une petite partie avec la machine de Wimshurst que tu
trouveras dans le dernier lien et qui a un rapport avec la foudre.
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