Les secrets de la foudre par Mickaël Cayla

Ière partie - Les éclairs et la foudre

I. L’éclair


Qu'est ce qu'un éclair ?

Un éclair est une lumière intense et soudaine crée par une décharge électrique lors d'un orage.  Lorsqu'un orage se forme, d'énormes potentiels électrostatiques transforment les nuages en "piles électriques". L'air a des propriétés isolantes mais lorsque le potentiel généré par le nuage d'orage dépasse une valeur de 15Kv/m, un "court circuit" se produit et décharge momentanément le nuage. Lorsque la décharge touche le sol, on parle de coup de foudre.

 

1] Les charges électriques

a] Charge électrique de l'atmosphère par temps stable

Dans des conditions normales, une charge négative domine au sol. Dans l’atmosphère, les rayons cosmiques provoquent une faible ionisation de l’air à l'origine du "champ électrique par beau temps". Les ions formés se partagent le ciel de façon suivante : Ions positifs vers la tropopause et ions négatifs vers le sol.
Par beau temps, la différence de potentiel entre le sol et une altitude de 48km est d’environ 300.000 V. Près du sol, cette différence de potentiel est d’environ 100 à 150 V/m. Dans ces conditions, l'air est un isolant.

b] Les charges électriques par temps instable (cumulonimbus, générateur électrique)

C’est dans des cas d’instabilité atmosphérique que certains nuages majestueux appelés cumulonimbus peuvent se former. Ce sont de véritables monstres en puissance puisque leur sommet peut culminer à 6-8km aux pôles et jusqu’à 18-20km à l’équateur. Leur poids peut atteindre et même dépasser un milliard de tonnes !

Fig.1 - Cumulonimbus

 

Ces nuages particuliers sont soumis à des cisaillements de vitesse (variation de la vitesse du vent en fonction de l’altitude), à des cisaillements directionnels (variation de l’orientation du vent en fonction de l’altitude), et à d’intenses ascendances et subsidences. Ces turbulences sont à l’origine de chocs entre les particules qui constituent le nuage, en particulier glace et gouttelettes d’eau. La redondance de ces entrechocs va arracher des électrons aux particules et ainsi aboutir à l’apparition de charges. Les particules les plus lourdes abritent les charges négatives tandis que les plus légères, supportées par les courants ascendants sont chargées positivement.

La base du nuage orageux est chargée négativement. A son approche, le sol se charge positivement par induction. Cette zone de changement du potentiel au sol est appelée la « zone d’ombre » du nuage. En simplifiant à l'extrême, au sein du Cb apparaît une configuration électrique ressemblant à une pile.

Fig2 - Charges électriques au sein du cumulonimbus (schéma basique)

Il semblerait que cette modélisation ne soit pas exacte et que plusieurs couches voire même plusieurs zones se partagent le nuage. Néanmoins, ceci s’explique difficilement et semble être assez variable suivant les cas de figure. De nombreux ouvrages font état d’une zone positive enclavée sous la couche négative et supportée par les courants ascendants. Ceci peut être schématisé comme suit :

 

Fig3 - Charges électriques au sein du cumulonimbus (schéma simplifié)

Dans ce dossier nous utiliserons cette dernière modélisation qui reste simple. Ces zones de charges différentes vont interagir entre-elles et engendrer des décharges électriques.

 

2] Les décharges électriques

Voici Les différentes décharges :
 

Fig5 et 6 - Eclairs intra et extranuageux Les éclairs intranuageux se manifestent uniquement par une illumination du cumulonimbus   Eclair intranuageux   Eclair extranuageux
Fig7 - Eclairs internuageux
Fig8 - Coup de foudre
Les éclairs nuage-sol suivent le mécanisme suivant : 1- Accumulation de charges dans le nuage 2- Augmentation du champ électrique qui finit par devenir supérieur à la valeur admise par l’air. 3- Ionisation de l’air. 4- Formation de traceurs qui évoluent vers une zone de charge opposée, en même temps l’ionisation progresse. 5- A faible distance de la zone de charge opposée, un traceur sera émis et partira à la rencontre du premier. Lorsque les deux traceurs se rencontrent, un (ou plusieurs) arcs en retour ont lieu : C’est l’éclair ! Lors de l’éclair, il se produit un transfert de charges afin de rétablir la stabilité. Il s’agit le plus souvent d’électrons allant du nuage au sol. Ce retour vers un état de stabilité sera d’autant plus durable que les vents au sein du nuage seront faible (entrechocs peu nombreux). Plus les arcs en retour sont nombreux plus l’éclair est visible longtemps, parfois cette durée atteint plusieurs secondes ! Voici une animation qui pourrait vous aider à mieux comprendre le phénomène (ici deux arcs en retour et un transfert d’électrons vers la terre):
Evidement, du fait de la vitesse de chacun des bonds des traceurs (on parle d’environ 50 à 2500km/s), ils n’apparaissent pas à l’œil nu. Néanmoins, certains photographes ont pu capturer des traceurs ascendants. Exemple avec cette photographie prise par Cyril Aniel : On distingue en bas à gauche de l’impact un traceur ascendant. Comme le souligne l’auteur la jonction s’est jouée à peu. La forte décharge électrique aurait alors pu passer à gauche de la maison. Les traceurs descendants (autre que celui qui a permis la liaison) apparaissent sous forme de ramifications.                   En dehors de la zone qui accueille la décharge, les éclairs nuage-sol sont aussi nommés en fonction de la polarité et du sens de propagation du premier traceur. On a ainsi les éclairs suivants : • Le coup de foudre descendant négatif provient d’un traceur descendant partant de la couche négative du nuage orageux et se propageant jusqu’au sol à la vitesse de 70 à 1200 km/s. A faible distance de celui-ci, un traceur ascendant est émis. Lors de leur rencontre la décharge a lieu et consiste en un transfert d’électrons du nuage vers le sol. Sur l’animation précédente, il s’agit d’un coup de foudre descendant négatif. Ceux-ci sont les plus fréquents.
• Le coup de foudre descendant positif est rare et en général très puissant. Il s’observe principalement lors des orages d’hiver. Les plus puissants sont appelés superbolts et même mégabolts. Ce type d’éclair provient d’un traceur descendant qui prend naissance dans la charge positive du nuage en se déplaçant à une vitesse allant de 500 à 2500 km/s. En principe il s’agit d’éclairs très puissants ayant lieu en phase terminale de l’orage, lorsque que la couche négative est moins dense et n’influence plus le sol en inversant sa polarité. Il existe aussi des extranuageux positifs touchant le sol en marge du nuage (voir schéma sur les décharges extranuageuses). Lorsque le contact est établi, il s’ensuit un transfert de charges positives du nuage vers le sol.
• Le coup de foudre ascendant négatif provient d’une charge ascendante négative. Ce traceur ascendant voyage à une vitesse voisine de 80 à 460 km/s. Comme toutes les charges ascendantes, il débute à partir d’une aspérité au niveau du sol (montagne, antenne de télécommunication,…) et se propage vers une zone du nuage chargée positivement. A faible distance, un traceur descendant est émis à partir du nuage. Lors du contact un transfert de charges positives du nuage vers le sol a lieu.
• Le coup de foudre ascendant positif débute par un traceur ascendant se déplaçant à une vitesse proche de 40 à 70 km/s près du sol, puis pouvant atteindre jusqu'à environ 1000 km/s en altitude. Ce traceur provient d’une charge positive ascendante au sol. Ces traceurs vont évoluer vers la base du nuage chargée négativement. Lors de leur approche, un autre traceur, cette fois-ci descendant partira du nuage. Lors de leur rencontre, la décharge a lieu et consiste en un transfert d’électrons du nuage vers le sol.
Il est à noter que cette classification n’est pas universelle. Ainsi d’autres auteurs préfèrent nommer les éclairs en fonction du sens de propagation du premier traceur et de la polarité de la zone nuageuse concernée. Exemple : Pour le coup de foudre ascendant positif (ci-dessus), il s’agirait alors d’un coup de foudre ascendant négatif puisque la zone du nuage concernée est chargée négativement.

 

3] Remerciements

Mr Cyril Aniel pour le partage de sa photographie.
Mr Gilles Duperron pour le partage de sa photographie.
Mr Claude Gary pour sa disponibilité et son aide théorique.
Mr Patrick Jammes pour le partage de sa photographie.
Mr Christophe Suarez pour le partage de ses photographies

 

© Mickaël Cayla pour Chasseurs d'Orages

 

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