La foudre – Phénoménologie

17/07/2017
Publication REE REE 2017-3 Dossier La foudre
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2017-3:19454
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La foudre – Phénoménologie

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REE N°3/2017 Z 45 LA FOUDRE DOSSIER 1 Introduction L’étude scientifique de la foudre est aussi ancienne que celle de l’électricité [1, 2, 3]. Dès le milieu du XVIIIe siècle, ce phénomène naturel intrigua les cher- cheurs de diverses disciplines. Deux siècles plus tard, le physicien écossais Charles T.R. Wilson (1869–1959), fut le premier à déterminer la quantité de charges électriques présentes dans un nuage orageux à partir de la mesure à distance du champ électrique rayonné. Le cumulo-nimbus, chargé élec- triquement, est le siège des phéno- mènes orageux. Il apparaît rarement isolé, ce qui conduit à divers types de décharges : nuage-nuage (inter-nuage ou intra-nuage), nuage-air ou nuage- sol. La décharge électrique nuage-sol ou éclair à la terre mérite une attention particulière dans le cadre de la protec- tion contre la foudre et il est essentiel de connaître les différentes caractéristiques des courants de foudre générés. Nuage orageux Le nuage orageux est le plus vigoureux des nuages. On l’appelle cumulo-nimbus ou roi des nuages. Les cumulo-nimbus se présentent rarement sous forme iso- lée, mais plutôt en agrégats. Ils diffèrent des autres nuages d’averses à la fois par l’échelle de leur extension tant verticale qu’horizontale et par leur aptitude à donner naissance à des phénomènes électriques. Un cumulo-nimbus isolé (figure 1) a la forme d’une tour verticale surmontée d’une zone supérieure appelée enclume et située à une altitude variant entre 6 et 22 km. Les cumulo-nimbus sont pratiquement tous observés dans la troposphère où la température décroît, en moyenne, jusqu’à la tropopause, limite supérieure de la troposphère. La hauteur des cumulo-nimbus est liée à l’altitude de la tropopause, fonction de la température. Variant avec la latitude, elle diffère selon les saisons. Elle atteint, exceptionnellement, 22 km sous les tro- piques. Dans les régions tempérées, à des latitudes moyennes, de 12 km l’été, La foudre – Phénoménologie Christian Bouquegneau Recteur honoraire, université de Mons (Belgique) Président de CENELEC TC 81X (Lightning protection) Research on lightning is as old as research on electricity. From the middle of the eighteenth century, this natural phenomenon preoccupied researchers from various fields of study. In this paper, we analyze the atmospheric phenomena, leading to the generation of light- ning flashes. The electrically charged cumulonimbus, king of the clouds, is the main source. This thundercloud seldom appears isolated. It can produce intracloud discharges, inter- cloud (cloud-to-cloud) discharges, cloud-to-air discharges, and cloud-to-ground discharges. We describe the cloud-to- ground discharge with emphasis on the various characte- ristics of the corresponding currents. Above thunderclouds, transient luminous events (reddish elves, red sprites, and blue jets), most of which are associated with highest-inten- sity lightning discharges, still await for a complete scientific explanation. ABSTRACT La recherche sur la foudre est aussi ancienne que les recherches sur l’électricité. Depuis la moitié du 18e siècle, ce phénomène naturel a préoccupé les chercheurs de différentes disciplines. Dans cet article, nous analysons les phénomènes atmosphériques qui conduisent à la génération des éclairs. Le cumulo-nimbus chargé électriquement, roi des nuages, en est la principale source. L’orage situé dans le cœur du nuage apparaît rarement de façon isolée. Il peut provo- quer des décharges intra-nuages (internes au nuage), inter- nuages (de nuage à nuage) ainsi que des décharges entre le nuage et l'air ou entre le nuage et le sol. Nous décrivons les décharges entre les nuages et le sol en mettant l’accent sur les différentes caractéristiques des courants générés correspon- dants. Au dessus des orages nuageux, des manifestations lu- mineuses (sylphes rouges, elfes rougeâtres et jets bleus), dont la plupart sont associées à des éclairs de très haute intensité, attendent encore une explication scientifique complète. RÉSUMÉ Figure 1 : Couches atmosphériques, régions électriques et cumulo-nimbus typique [1]. 46 Z REE N°3/2017 LA FOUDREDOSSIER 1 elle décroît jusqu’à 6 km l’hiver. La base d’un cumulo-nimbus est située entre 1 et 3 km du sol et occupe une surface de l’ordre de 10 km de diamètre. Son extension verticale exige la présence de masses d’air instable, humide et chaud, donc d’importants gradients de tempé- rature sur de grandes épaisseurs. Dans un nuage orageux, les charges électriques positives et négatives se séparent pour former un gigantesque dipôle, voire un tripôle électrique. Ces charges électriques proviennent du frottement par collisions entre les cris- taux de glace, qui se chargent positi- vement, et les grosses gouttes d’eau liquide (en surfusion) agglutinées sous forme de sphéroïdes de dimensions centimétriques, qui se chargent négati- vement. Les cristaux de glace s’élèvent grâce aux courants d’air ascendants, les grosses gouttes liquides négatives, appelées hydrométéores, descendent par gravité. Un champ électrique intense apparaît. Si ce champ électrique atteint la valeur de la rigidité diélectrique de l’air, une décharge électrique de foudre est imminente à l’intérieur même du nuage. Comme le montre la figure 2, dans la phase de maturité du cumulo-nimbus, un certain équilibre électrique s’établit entre l’énorme charge électrique posi- tive de 10 à 50 °C, voire jusqu’à 300 °C, assez diffuse de sa partie supérieure, et la charge électrique négative, tout aussi énorme, relativement concentrée ver- ticalement (sur 1 km environ) dans sa partie médiane. Cette charge négative est séparée de la charge positive supé- rieure par une zone quasi neutre, ainsi que sous forme d’une petite poche posi- tive, de l’ordre de 10 % de la charge posi- tive supérieure, qui se maintient dans la partie inférieure du nuage. Types de décharge de foudre Le type de décharge électrique le plus fréquemment rencontré est la dé- charge intra-nuage, c’est-à-dire à l’inté- rieur même du cumulo-nimbus (figure 3 M). Plus rarement, la décharge se prolonge dans l’air à l’extérieur du nuage mais s’interrompt (figure 3 N), on parle de décharge dans l’air. Parfois, une dé- charge initiée dans une partie chargée d’un premier cumulo-nimbus atteint la charge électrique opposée du cumu- lo-nimbus voisin (figure 3 O), c’est la décharge inter-nuage. La décharge au sol est initiée préférentiellement dans la région inférieure du nuage où subsiste une charge positive (figure 3 P), mais peut aussi avoir pour origine la charge négative médiane ou la charge positive supérieure. L’été, dans les régions tem- pérées, 10 % seulement des décharges au sol sont positives. L’hiver, ou toute l’année dans les régions polaires, la partie supérieure positive du nuage est plus proche du sol et la statistique des décharges au sol montre que les dé- charges positives ont autant de chances de se présenter que les décharges négatives. En moyenne, on observe une décharge au sol pour trois (régions tempérées) à dix (régions équatoriales) décharges intra-nuages ou inter-nuages. Formes et classification des éclairs L’éclair est la manifestation lumi- neuse du coup de foudre. Les éclairs peuvent être linéaires, ramifiés ou par- Figure 2 : Répartition des charges électriques dans un cumulo-nimbus isolé [1]. Figure 3 : Divers types de décharges de foudre : M décharge intra-nuage ; N décharge dans l’air ; O décharge inter-nuage ; P décharge au sol [1]. REE N°3/2017 Z 47 La foudre – Phénoménologie fois en chapelet apparaissant sur le fond des nuages et constitués de fragments lumineux en ligne pointillée correspon- dant aux zones de striction successives du plasma. Les premières décharges électriques se manifestent à l’intérieur même de la cellule orageuse et cela dès la phase initiale, environ un quart d’heure avant la maturité indispensable au jaillissement des décharges au sol. En matière de prévention, ce quart d’heure apporte une certaine marge de sécurité. Une décharge au sol est souvent initiée par une décharge préliminaire au sein même du nuage orageux. On dénombre quatre types de décharges au sol (figure 4), selon la polarité de la charge électrique du nuage d’où émane ou vers laquelle converge une prédé- charge pilote, peu lumineuse, appelée aussi précurseur ou traceur ou encore leader. Si l’on tient compte du troisième paramètre, selon que la décharge est complète ou s’interrompe dans l’air, on dénombre huit situations possibles. Ainsi, en terrain plat, on rencontre très fréquemment un traceur négatif des- cendant (environ 90 % des cas dans les régions tempérées), ou, plus rare- ment, un traceur positif descendant (orages hivernaux et parfois dans des conditions d’orages exceptionnellement intenses). Toutefois, essentiellement à partir de structures élevées et effilées, peut apparaître soit un traceur positif ascendant, soit, plus rarement, un tra- ceur négatif ascendant. Décrivons le mécanisme d’apparition d’un coup négatif à partir d’un traceur négatif descendant en terrain plat. La figure 5 illustre l’évolution dynamique de la trajectoire d’un traceur saccadé (traceur par bonds) conduisant à la dé- charge négative au sol ou coup négatif. Un traceur descendant progresse par bonds de 10 à 200 m à une vitesse rela- tivement faible (de l’ordre de 100 km/s), en impulsions de courant de l’ordre de 1 kA. Il se développe avec des pauses de 20 à 50 μs et se propage vers le sol. Lorsque la tête du traceur s’approche du sol, le champ électrique y croît fortement et, souvent à partir d’objets pointus ou d’irrégularités de surface au sol, initie des décharges partielles ascendantes posi- tives qui se forment durant la période dite d’attachement ou processus d’inter- ception. Ces traceurs ascendants posi- tifs se développent jusqu’à ce que l’un Figure 4 : Les quatre types de décharges au sol [1]. Figure 5 : Développement du traceur négatif descendant et du coup négatif en terrain plat [1]. 48 Z REE N°3/2017 LA FOUDREDOSSIER 1 d’entre eux intercepte le traceur négatif descendant en un point généralement situé à quelques décamètres du sol. L’arc en retour ou contre-décharge ou dé- charge principale jaillit, neutralisant, par- tiellement ou complètement la charge du leader avec une luminosité nettement renforcée dans le canal. Il rejoint le nuage en moins de 100 μs, à une vitesse d’en- viron 108 m/s, par le canal ionisé qu’a créé le traceur descendant, déchargeant ainsi une partie du nuage orageux. Le processus d’attachement suit quatre phases successives ; une pre- mière phase quasi statique, caractérisée par un champ électrique de quelques kV/m, au cours de laquelle une décharge corona ou effet de couronne apparaît sur les pointes ou protubérances aigües où le champ électrique est nettement renforcé ; une deuxième phase avec propagation du traceur descendant où le champ électrique croît à un taux de 109 V/m.s quand la tête du traceur est à moins de 100 m du sol; une troisième phase durant laquelle l’effet de cou- ronne initial génère alors un streamer (canal conducteur filamentaire), jusqu’à sa transformation en traceur ascendant ; enfin, une quatrième phase lorsque le traceur ascendant se propage dans un champ électrique suffisant jusqu’à ce que les deux traceurs se rejoignent en fusionnant leurs couronnes filamen- taires. Le rapide délestage d’énergie de l’arc en retour réchauffe le canal filamentaire jusqu’à une température élevée (de l’ordre de 30 000 °C) et génère axialement un plasma à haute pression de plusieurs centaines d’at- mosphères. Ce plasma chaud confiné dans l’air ambiant est la source d’ondes de choc acoustiques à l’origine du ton- nerre. La décharge principale, toujours ascendante, développe une puissance électrique linéique colossale, de l’ordre de 108 W/m, pendant quelques μs. Le courant électrique atteint, en moyenne, une valeur de crête de 25 kA dans les régions tempérées. L’enregistrement des amplitudes des courants de foudre sur des structures élevées fournit un éventail de valeurs comprises entre 1,6 et 300 kA ! A l’heure actuelle, en mesures directes, aucun courant de foudre négatif enregistré n’a une ampli- tude dépassant 200 kA (300 kA pour un courant positif). Dans 80 % des cas, le nuage n’est pas complètement déchargé après une seule décharge principale. On assiste à un éclair multiple au lieu d’un éclair simple. En effet, après une pause de 40 à 80 ms, un nouveau traceur, appelé dard, se propage partiellement dans le même canal, mais continûment, à une vitesse de l’ordre de 1 000 à 10 000 km/s (figure 5). Le processus se répète, en général trois à cinq fois (dans 80 % des coups négatifs, il y a au moins deux composantes, espa- cées de 60 ms, en moyenne), jusqu’à ce que le nuage soit complètement déchargé. Un éclair ne dure jamais plus d’une seconde. Les arcs en retour suc- cessifs n’empruntent pas nécessaire- ment l’entièreté de la trajectoire de la première décharge principale. De 30 à 50 % des éclairs créent de deux jusqu’à huit points d’impact, séparés de 10 m à 10 km (moyenne de 1,7 impact au sol par éclair négatif en France). Caractéristiques des courants de foudre La figure 6 illustre des formes ty- piques de courants de foudre. Ces cou- rants ont la forme impulsionnelle d’une onde de choc de durée variable, com- prenant un front relativement raide et une queue plus allongée. L’onde de cou- rant d’un éclair négatif simple ou d’une première composante d’éclair négatif multiple atteint sa valeur maximale re- lative après un temps de l’ordre de la microseconde, pour tendre ensuite plus lentement vers zéro après un temps de l’ordre de la centaine de microsecondes. L’onde de courant d’un éclair positif, atteint sa valeur maximale relative après un temps d’environ 100 μs et décroît ensuite vers zéro après quelques milli- secondes. Outre l’amplitude du courant I de foudre, on considère sept autres pa- ramètres liés au courant : (1) la charge électrique (C), (2) la durée du front de l’onde de courant (μs), (3) la raideur maximale de l’onde de courant (kA/ μs), (4) la durée des diverses compo- santes (μs), (5) les intervalles de temps entre composantes d’un éclair négatif multiple (ms), (6) la durée totale d’un éclair (ms) et (7) l’énergie spécifique (énergie dissipée par un éclair par unité de résistance électrique, en A2 .s). Le tableau de la figure 7, issu du CIGRE (Conseil international des grands réseaux électriques), propose des valeurs caractéristiques des différents paramètres associés aux courants de foudre en trois colonnes, fournissant les probabilités respectives de dépasser les valeurs indiquées des paramètres considérés, respectivement dans 95 %, 50 % et 5 % des cas. L’éclair négatif au sol constitue le pre- mier mode de transfert de charge élec- Figure 6 : Formes typiques de courants de foudre négatifs et positifs [1]. REE N°3/2017 Z 49 La foudre – Phénoménologie trique. Il dure de 0,1 ms à 1 s. Dans 15 à 20 % des cas, la décharge est simple. Dans 80 à 85 % des cas, elle est mul- tiple, un éclair moyen comprenant de trois à cinq composantes. Les amplitudes des premières composantes de courant sont en général deux à trois fois plus im- portantes que celles des composantes suivantes. Toutefois, environ un tiers des éclairs au sol contiennent au moins une deuxième composante d’amplitude plus grande que celle de la première. La rai- deur de l’onde de courant est de l’ordre de 100 kA/μs. Entre deux arcs en retour successifs d’un éclair multiple, un courant continu constitue le deuxième mode de trans- fert de charge électrique au sol. Ce cou- rant quasi stationnaire a une amplitude de 0,1 kA. Il s’écoule dans le canal de plasma durant environ 0,1 s et transfère une charge électrique résultante de plu- sieurs dizaines de coulombs. Un troisième et dernier mode de transfert de charge électrique au sol se fait à partir de composantes M (Malan), d’une plus grande luminosité dans le canal. Ce sont des perturbations ou des renforcements transitoires du courant persistant (continu), de temps de front compris entre 300 et 500 μs, d’ampli- tude de l’ordre de 0,1 à 1 kA, dissipant une charge électrique de 0,1 à 0,2 C (figure 8). Les composantes M s’ex- pliquent par la superposition de deux ondes guidées de courant se propa- geant en sens opposés : une première onde descendante, analogue à un tra- ceur et une seconde onde ascendante, réfléchie, issue du sol, jouant le rôle de court-circuit. La proportion des éclairs positifs dans les orages estivaux croît à la fois avec la latitude et avec l’altitude (par rapport au niveau de la mer). Les éclairs positifs sont en général simples, mais durent plus longtemps que les éclairs négatifs et transfèrent donc une charge positive au sol beaucoup plus importante queFigure 8 : Schéma d’une première composante d’éclair négatif suivie d’une composante M [1]. Figure 7 : Paramètres typiques des courants de foudre [1]. 50 Z REE N°3/2017 LA FOUDREDOSSIER 1 ces derniers. Les décharges positives sont généralement suivies de courants continus plus intenses et de durée plus longue que les décharges négatives. Statistiquement, on dénombre au- jourd’hui une moyenne de neuf com- posantes de Malan accompagnant le courant continu d’une décharge posi- tive, alors que la moyenne tombe à 5,5 composantes de Malan associées au courant continu d’un éclair négatif. Foudre géante supérieure La foudre se manifeste également en phénomènes lumineux transitoires dans la neutrosphère, à partir du som- met des cumulo-nimbus jusqu’à l’ionos- phère, sous forme de jets bleus, de sylphes rouges et d’elfes rougeâtres (génies de l’air symbolisant les phéno- mènes atmosphériques) ou d’émissions de rayons X et d’événements gamma terrestres. Actuellement, ces phéno- mènes lumineux (coups de foudre io- nosphériques) intéressent beaucoup les physiciens et les climatologues. Comment la foudre inférieure classique génère-t-elle ces phénomènes de foudre supé- rieure, parfois appelée foudre géante, dans la stratosphère et la mésosphère ? Les sylphes rouges ont été décou- verts, grâce aux navettes spatiales, en 1989. En des temps brefs de 10 à 300 ms, ils se développent du som- met des nuages orageux (au-dessus de l’enclume) jusqu’à des altitudes de l’ordre de 70 à 90 km (mésosphère) et s’étendent horizontalement sur des dia- mètres variant de 5 à 30 km. Leur durée de vie est de l’ordre de 10 à 100 ms. Ils pourraient être liés à des avalanches d’électrons relativistes, qui se déplacent à grande vitesse, acquièrent plus d’énergie du champ électrique ambiant lors des collisions avec les molécules d’air qu’ils n’en perdent lors de chaque collision et atteignent des énergies supérieures à 1 MeV ; ces avalanches seraient déclen- chées à travers la stratosphère et la mé- sosphère par les rayons cosmiques. En interagissant avec les molécules de l’air ambiant, ces électrons produiraient des rayons X et des rayons gamma secon- daires. Les recherches sont poussées dans ce sens car, à l’heure actuelle, on connaît peu de chose sur les décharges positives qui n’ont jamais pu être déclen- chées par les techniques classiques de petites fusées tirées vers les nuages ora- geux. Les elfes, en forme de disques, rou- geâtres également, mais plus fugitifs, se présentent comme des crêpes lui- santes, produites aussi par une foudre exceptionnellement intense, juste avant les sylphes, dans la mésosphère, à une altitude comprise entre 60 et 90 km (io- nosphère). Ils s’étendent radialement à des vitesses relativistes et ne durent que quelques ms. Ils seraient initiés par de puissantes impulsions électromagné- tiques associées aux plus gros éclairs, les champs électriques supérieurs, intenses, accélérant les électrons qui heurtent et excitent les molécules d’air. Celles-ci, par désexcitation, génèrent de la lumière visible. Ce phénomène crée des anneaux lumineux en expansion, qui s’élargissent si rapidement qu’ils ap- paraissent comme des disques aplatis. Apparaissant souvent en groupe, et ne dépendant pas de l’apparition d’une décharge nuage-sol, les jets bleus co- niques (décharges positives), s’étendent jusqu’à une altitude de 40 km. Ils sont difficiles à observer et on ignore encore le mécanisme de leur formation. Emis à grande vitesse du sommet des cumulo- nimbus, certains jets bleus gigantesques peuvent se développer à des vitesses de 108 m/s et progresser du sommet du nuage jusqu’à l’ionosphère. Les émissions de rayons X produites par les nuages orageux sont liées aux phénomènes d’initiation de la décharge L'AUTEUR Le professeur docteur ingénieur Christian Bouquegneau est ac- tuellement recteur honoraire de l'université de Mons, Belgique. Il est président du Conseil scientifique de l’Institut royal météorologique de Belgique, président du Comité européen CENELEC TC81X (protec- tion contre la foudre), président du Comité belge (CEB) de normalisa- tion en matière de protection contre la foudre et président de la Société des sciences, des arts et des lettres du Hainaut. REE N°3/2017 Z 51 La foudre – Phénoménologie de foudre. Les événements gamma terrestres, enregistrés par satellite, sont également liés à l’activité orageuse et constituent les phénomènes électriques les plus étonnants associés à la foudre, car ils seraient la première manifesta- tion d’une génération de rayons gamma dans l’atmosphère terrestre, hormis les réactions nucléaires… Une nouvelle énigme à résoudre ! Cette foudre géante altère-t-elle la composition chimique de notre atmos- phère et joue-t-elle un rôle fondamen- tal sur notre climat ? Fabrique-t-elle des oxydes d’azote (NO, NO2 … NOx ). Agit-elle sur la couche d’ozone ? Une réponse à ces questions importantes devrait être trouvée dans un proche avenir. Références 1] C. Bouquegneau, « Doit-on craindre la foudre - Comment s’en protéger ? », seconde édition, EdP Sciences (2015) (Dessins de Thomas Haessing et de Pierre Lecomte). [2] w w w. f u t u r a - s c i e n c e s .c o m / magazines/environnement/infos/ dossiers/d/meteorologie-foudre- menace-ciel-1512 [3] www.belgorage.com/dossier- pedagogie-mediatheque-interview. php