| La foudre
Présence
de phénomènes électrostatiques dans l'atmosphère
La Terre se comporte comme un
condensateur sphérique avec
pour isolant les parties basses de l'atmosphère placées entre
deux conducteurs : le sol et l'ionosphère (partie supérieure
de l'atmosphère, très peu dense et dans laquelle l'ionisation
de l'atmosphère, par les bombardements de particules alpha ou
de rayonnements cosmiques ou issus du Soleil, est la plus
importante).
Le potentiel par rapport au sol, que l'on déduit du profil
de champ, croît jusqu'à une altitude d'environ 50 km où la
conductivité de l'air devient telle qu'à partir de cette
hauteur l'air est assimilable à un conducteur. Cette zone,
appelée l'électrosphère (couche basse de l'ionosphère) se
maintient à un potentiel de 300 kV. Il existe donc un champ
permanent dans l'air, même en l'absence d'orages, qui, mesuré
sur un terrain plat et par beau temps, est de l'ordre de 100 à
150 V/m.
Au moment de la formation ou à l'approche d'un nuage
orageux, sous l'influence des charges négatives qui sont disposées
à sa base, et dont l'effet devient prépondérant, le champ électrique
commence à s'inverser jusqu'à atteindre des valeurs moyennes
de -10 à -15 kV/m.
| La
présence d'objet pointus au sol renforce localement ce
champ électrique qui peut atteindre alors des valeurs
de quelques centaines de kV/m. Cette intensification du
champ électrique au voisinage des sommets s'appelle l'effet
de pointe. On peut ainsi calculer qu'au somment
d'une demi sphère posée sur un plan, le champ est le
triple du champ préexistant. Cet effet s'accentue
encore dans le cas d'un demi ellipsoïde; ainsi pour un
rapport entre le grand axe et le petit axe de l'ellipsoïde
égal à 30, le champ est multiplié par un facteur 300
et pour un rapport de 100, il est multiplié par 2300. |
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| La décharge
atmosphérique
On distingue deux grandes familles d'éclairs :
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les coups de foudre pour lesquels la décharge
électrique s'effectue entre le nuage et le sol
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les éclairs intra nuageux
(à l'intérieur
du nuage) et inter nuageux (entre différents nuages)
beaucoup plus nombreux que les coups de foudre (de 60 à 70 %
des décharges totales). |
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La première phase d'un coup de foudre (donc entre la
terre et le nuage) est toujours la formation d'une prédécharge
peu lumineuse, appelée traceur, qui progresse à travers
l'air neutre avec une vitesse relativement faible (environ 200
km/s). Un traceur (ou précurseur ou encore leader) est en fait
un canal ionisé, d'une grandeur caractéristique
importante à l'échelle macroscopique (typiquement 2 à 3 cm de
diamètre), qui est la conséquence directe des phénomènes d'avalanche
électronique.
En effet, l'air atmosphérique contient en permanence des
ions négatifs et positifs, en quantité variant de 100 à 1000
ions par centimètre cube. Lorsqu'un de ces électrons se trouve
dans une région de l'espace où règne un champ électrique
important il va subir une accélération et acquérir une énergie
cinétique. Très vite il va entrer en collision avec un atome
neutre. Si à cet instant l'énergie acquise par l'électron est
supérieure à l'énergie d'ionisation de l'atome considéré,
la collision va créer un nouvel électron
libre. Ce processus
est appelé "ionisation par choc" ou "ionisation
collisionnelle". Ce nouvel électron se comporte comme le
précédent et crée donc à son tour un autre électron libre
et rapidement le phénomène prend une allure d'avalanche.
L'intensité de champ électrique nécessaire pour qu'un électron
puisse ioniser un atome est de l'ordre de 30 kV/cm dans l'air et
à pression normale.
Lorsqu'un traceur établi un canal ionisé entre le sol et le
nuage, 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 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.
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Classification des coups de
foudre
La classification des coups de foudre est réalisée en fonction des
charges écoulées et de la nature du système de traceurs conduisant à
la connexion de la foudre au sol.
 | Coups de foudre descendants négatifs, avec arc en
retour positif : Ceux sont les plus fréquents (70 à 90
% des cas de foudroiement). Dans ce type de décharge, il y
a émission d'un précurseur négatif descendant du nuage (étape
a). Le champ électrique sur un objet au sol est alors
suffisamment renforcé par l'approche du précurseur négatif
pour provoquer la naissance d'un arc en retour positif (étape
b). Cet arc va aller à la rencontre du traceur provenant du
nuage, donnant naissance, lorsqu'ils se rencontrent, à la décharge
principale de foudre. |
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| Coups de foudre descendants négatifs, sans arc en retour
positif : Ce type de décharge est identique à la précédente,
mais les conditions de champ électrique au sol ne permettent pas le
développement d'un arc en retour. Il y a alors connexion directe au
sol. |
| Coups de foudre descendants positifs : Initié par
un traceur positif se propageant depuis la charge positive
supérieure du cumulonimbus vers le sol, ce type de décharge
est rare mais est accompagné d'un transfert des charges
nuage - sol important. |
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| Coups de foudre ascendants positifs : Ce type de connexion
correspond au cas où le champ électrique au sol créé par le
nuage est suffisamment intense pour qu'un précurseur puisse se développer
du sol vers le nuage. Ceci est généralement le cas dès lors qu'il
existe au sol des structures de grande hauteur (plusieurs dizaines
de mètres). Ce type de décharge est ainsi fréquent dans les régions
montagneuses. |
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| Phénomène
lumineux
Les gaz de
l'atmosphère, sur le trajet de la décharge électrique
sont surchauffés et ionisés et émettent alors de la
lumière.
La teinte exacte de l'éclair peut dépendre de plusieurs
facteurs : la densité du courant, l'altitude, le taux d'humidité
et les différentes particules présentes dans l'atmosphère.
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| les colorations rosées et violacées éclatantes sont
associées aux orages secs et proches;
| les colorations chaudes (oranges et rouges) aux orages
secs et lointains. Ce phénomène est le même que celui du
Soleil couchant sur l'horizon, où la forte humidité dans
les basses couches intercepte le rayonnement ultraviolet et
ne laisse passer que la partie visible du spectre, proche de
l'infrarouge;
| les colorations aveuglantes : blanches, blanc-bleuté,
blanc-rosé, aux orages de pluies intenses;
| les colorations bleu-gris, mauve, à des orages lointains
à fortes précipitations. |
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Le tonnerre
Le courant circulant dans le
canal de l'éclair entraîne un échauffement
brutal et extrêmement élevé de l'air ambiant, qui subit une
formidable surpression. La pression du canal étant considérablement
plus élevée que celle de l'air environnent, il s'ensuit une violente
dilatation, une explosion du canal qui se propage sous la forme d'une
onde de choc puis d'une onde acoustique dont l'importance est
proportionnelle à l'intensité du courant.
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| La
pluie
Un orage déverse fréquemment plus de 50
à 100 litres d'eau par mètre carré en quelques heures. En
septembre 92, 400 à 500 litres d'eau sont tombés sur
Vaison-la-Romaine. De telles quantités d'eau ont des conséquences
importantes (inondations, érosion des sols…). |
| La grêle
Véritable fléau, la grêle figure
parmi les plus redoutés des phénomènes dévastateurs associés
à l'orage. Certaines gouttelettes d'eau en suspension dans le
nuage, peuvent rester à l'état liquide jusqu'à des températures
de -40°C. Ce phénomène est appelé surfusion. Quand un
petit morceau de glace rencontre des gouttelettes d'eau en
surfusion, celles-ci se congèlent à leur tour et augmentent la
masse de la glace. C'est le grêlon. Il peut ainsi atteindre
plusieurs centimètres de diamètre.
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Lorsque son poids devient trop important, il
chute. En descendant, il rencontre des températures plus élevées
et commence à fondre. S'il est assez gros, il atteint le sol.
On assiste alors à une averse de grêle qui peut tout dévaster
sur son passage.
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Le grêlon le plus lourd (972
g) a été observé à Strasbourg en
1958 alors que le plus gros (18 cm de diamètre) est tombé en 2003 au
Nebraska
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