La foudre et ses effets
I°/Formation de la foudre
L'électrisation du nuage d'orage est basée sur deux phénomènes : la gravitation et la convection.
A) La gravitation
Les gouttes de pluie, les grêlons et les particules de grésil (de petits grains de glace) tombent par gravité vers le bas du nuage, au-dessous des gouttes d'eau et des cristaux de glace de taille inférieure qui restent en suspension. Lorsque les grosses particules entrent en collision avec les cristaux de glace à une température inférieure à 0°C, les grains de grésil se chargent négativement, dû au fait qu'ils leur arrachent des élèctrons. Comme les grains tombent plus rapidement que les cristaux, ils transportent depuis les zones supérieures du nuage des charges négatives vers le bas,et les ions ainsi formés s'accumulent dans la partie haute du nuage.
B) La convection
Les ions libres dans l'atmosphère sont captés par les gouttelettes dans le nuage qui sont ensuite déplacées dans les courants verticaux créés par le mécanisme de la convection. Ceci produit des accumulations de charges différentes selon l'altitude dans le nuage.
Quand le potentiel du nuage est suffisant, c'est-à-dire qu'il a accumulé assez de charges électrostatiques, un champ électrique intense produit l'excitation des électrons avoisinants. Ceux-ci entrent alors en collision avec des atomes neutres, qui libèrent alors de nouveaux électrons qui vont, à leur tour, créer d'autres électrons libres et ainsi de suite, provoquant une réaction en chaîne : c'est « l'avalanche électronique » ou ionisation par choc. Les ions positifs créés sont ensuite entraînés par l'air chaud s'élevant par convection et participent ainsi à l'électrisation du nuage. En règle générale, les charges positives s’accumulent au sommet des nuages et les charges négatives se retrouvent dans la partie inférieure. Parfois une poche de charges positives se crée à la base du nuage, mais celle-ci étant assez fine, c’est la couche négative qui aura une influence sur la Terre.
Les champs électriques d'un nuage d'orage sont donc alimentés par deux facteurs :
- le courant d'aspiration que crée le nuage
- la présence de frottements entre des particules de glace lourde et légère
la charge du nuage
C) La décharge
Lorsque ce champ électrostatique dépasse les limites diélectriques de l'air(limite maximale de tension que le milieu peut supporter avant le déclenchement d’un arc électrique et variable selon les conditions d'humidité et de pression) , il s'ensuit la décharge de foudre à un rééquilibre électrostatique.
Cette décharge se passe en plusieurs étapes :
- La décharge arrache des électrons aux molécules de l'air, créant ainsi un canal ionisé appelé traceur ou précurseur qui transporte une faible charge électrique et avance vers une zone de charge opposée à une vitesse de l'ordre de 200 km/s. Plusieurs traceurs sont créés (qu’ils partent du sol ou du nuage) souvent à multiples branches, afin qu’ils puissent se rejoindre en un point. Le chemin ainsi formé est celui de moindre résistance.
- Quand les deux traceurs se rejoignent, en général à moins de 100 mètres du sol, un arc électrique en retour se déclenche, utilisant le canal ionisé des traceurs, et permet l’écoulement d’un courant de forte intensité : c’est la foudre. Elle libère les charges électriques accumulées à une vitesse qui peut atteindre 100 000 km/s. (10 milliards de Joules, c'est l'énergie contenue dans un coup de foudre).
Les éclairs sont la partie visible de ce système. Ils se développent soit:
- à l’intérieur d’un nuage (éclair intra-nuage)
- à l’intérieur d’un système orageux (éclairs inter-nuage)
- entre un nuage et la terre (éclairs nuage-sol)
Il existe plusieurs autres types d’éclairs, comme les coups de foudre ascendants (le sol chargé négativement rentre en interaction avec la fine couche positive à la base du nuage, le sens de la foudre est donc inversé ; allant du bas vers le haut).
II°/ Le tonnerre
La foudre s'accompagne d'une onde acoustique: le tonnerre. Cette onde est engendrée par la dilatation brutale de l'air surchauffé par l'arc électrique. Lors du passage de l'éclair, la pression de l'air est très élevée, et la température de l'air environnant va atteindre presque instantanément 30 000°C (environ cinq fois la température de la surface du Soleil!).
Cette augmentation brutale de la température va provoquer une dilatation de l'air environnant. Il y a donc une explosion (compression puis décompression rapide) qui va engendrer une onde de choc que nous entendons, c'est le tonnerre. Si l'éclair est plutôt droit, on entendra le tonnerre d'un seul coup « sec », alors que si l'éclair est plutôt ramifié, on pourra entendre le tonnerre « gronder » (on l' entendra d'autant plus gronder que l'on se trouve loin de l'orage, en effet la vitesse du son dans l'air étant d'environ 337m.s-1 et celle de la lumière étant de 300 000 000 m.s-1 , plus on est loin plus le tonnerre sera en retard par rapport à l'éclair et donc plus les grondements des éclairs ramifiés seront espacés dans le temps). En déterminant le temps séparant l'éclair et le tonnerre, on peut alors déterminer la distance approximative de l'orage, en effet on a d = v .t, on a v~300m/s et la vitesse de la lumière étant tellement rapide, on peut assimiler t au temps séparant l'éclair du tonnerre.
La formation du tonnerre
III°/ D’autres phénomènes lumineux
La foudre peut s'accompagner, dans les cas de fortes décharges, de phénomènes lumineux secondaires en haute altitude. La brièveté de ces flashs, ainsi que leur altitude (mésosphère et ionosphère), ont repousséleur découverte à ces dernières décennies . Les phénomènes lumineux transitoires (Transient Luminous Event ou TLE en anglais), sont des éclairs lumineux visibles en haute atmosphère et accompagnant les orages.
Les elfes
Étant à l’origine un acronyme, le mot elves signifie « Emissions of Light and Very low frequency perturbations from Electromagnetic pulse Sources ». C’est un anneau rouge en expansion d’un diamètre pouvant atteindre les 400 km. Il apparaît dans la ionosphère, à une petite centaine de kilomètres d’altitude. Les elfes sont créés lors de violents orages, par des impulsions magnétiques se propageant dans toutes les directions. Les électrons s’accélérant, ils percutent les molécules de diazote contenues dans l’atmosphère à cette altitude, excitant et illuminant ainsi les molécules d’azote.
Les farfadets
Appelés aussi sprites, les farfadets apparaissent seulement lors d’orages très puissants. Ils se produisent dans la mésosphère, au-dessus du cumulonimbus orageux, et mesurent plusieurs kilomètres de largeur sur plusieurs kilomètres de hauteur. Ils sont bleus à la base et prennent des tons rouge-orangé au sommet. Les sprites sont des phénomènes compliqués que la science ne parvient pas précisément à expliquer. Il existe cependant plusieurs théories : on parle de perturbations ionisantes qui se produiraient lors d’éclairs chargés positivement entre le cumulonimbus et la surface de la Terre ; ou on dit aussi qu’ils seraient causés par des avalanches d’électrons relativistes qui interagiraient avec les molécules de l’air.
Les gnomes
Plus rares que les farfadets, les jets bleus sont des sortes de cônes bleutés de plusieurs kilomètres de hauteur. Ils partent du haut du cumulonimbus orageux à une vitesse d’environ 100 km/s. Contrairement aux phénomènes lumineux transitoires précédents, ils ne semblent pas être provoqués par les éclairs, mais plutôt lorsque de la grêle est associée à l’orage. Selon le CNES (Centre national d’études spatiales), les jets bleus pourraient être qualifiés « d’éclairs inversés », qui auraient pour but de relier énergétiquement le nuage d’orage et l'ionosphère.
Les feux de Saint-Elme
Il s'agit en fait d'une manifestation de l'effet de pointe, à proximité des objets pointus.
Le champ électrique augmente à la surface de la Terre lors d'un orage, ce qui conduit à une ionisation partielle de l'air environnant. Une très grande quantité d'électrons affluent alors vers la pointe. Confrontés à des particules d'air, ces électrons provoquent la dissipation de l'énergie contenue dans celles-ci. Des étincelles apparaissent alors, les feux de Saint-Elme sont nés.
Conclusion
La formation de l’éclair est du à un différentiel d’énergie entre le bas du nuage et la terre. Un éclair est créé afin de réguler les forces. D’autres phénomènes lumineux sont également créés lors d’un orage, mais leur origine et leur mécanisme est encore assez mal connu des chercheurs.