La foudre : renseignements supplémentaires

La structure électrique de la Terre

Quelle est la charge électrique de la Terre?

La Terre porte une charge électrique et agit comme un condensateur sphérique. En effet, elle porte une charge globale négative d’un million de coulombs, alors que l’atmosphère porte une charge identique opposée (c.-à-d., une charge positive).

La résistivité électrique de l’atmosphère diminue avec l’altitude jusqu’à environ 48 kilomètres (km), où l’on définit une sphère, appelée « électrosphère ». À une telle altitude, la résistivité devient plus ou moins constante. Il y a une différence potentielle d’environ 300 000 volts (V) entre la surface de la Terre et l’électrosphère, ce qui donne un champ électrique d’une intensité moyenne d’environ 6 V/mètre (m) partout dans l’atmosphère. Par beau temps, l’intensité du champ électrique près de la surface se situe autour de 100 V/m.

Pourquoi la Terre est-elle chargée?

L’atmosphère n’est pas un isolateur parfait. Il y a donc un petit courant qui coule entre l’électrosphère et la Terre. Une charge négative s’échappe de la Terre et s’accumule dans l’électrosphère. Cette charge électrique dite de « beau temps » a un potentiel d’environ 2 000 ampères (A) à tout moment. Sans recharge, le potentiel terrestre se dissiperait en moins d’une heure, mais en fin de compte, la foudre recharge la surface de la Terre par le transfert de charges négatives.

Combien de coups de foudre y a-t-il par jour?

Il y a quelque 2 000 orages en cours dans le monde à tout moment. Ces orages produisent entre 30 et 100 éclairs nuage-sol par seconde ou environ 5 millions d’éclairs par jour.

Si l’intensité du champ électrique par beau temps se situe autour de 100 V/m, qu’est-ce qui m’empêche d’installer deux plaques métalliques espacées de 10 cm pour produire une pile électrique capable d’alimenter mon baladeur?

Ceci est impossible, car la résistivité de l’air près du sol est de 3 gigas-ohms/mètre pour une coupe transversale de 1 cm x 1 cm, de sorte que la résistance interne de cette pile hypothétique serait beaucoup trop élevée et la pile ne fonctionnerait jamais.

La structure d’un orage

Qu’est-ce qu’un cumulonimbus (nuage d’orage)?

La foudre est associée à l’activité convective. Les observateurs météorologiques professionnels classifient la sévérité de l’activité convective par la présence de tonnerre (et donc de la foudre). Les cumulonimbus, soit les nuages convectifs les plus importants, produisent généralement de la foudre, d’où le nom commun « nuages d’orage ».

Comment un nuage d’orage accumule-t-il une charge?

Le nuage d’orage classique agit comme un dipôle électrique positif, avec un centre de charge positive au-dessus d’un centre de charge négative. La base du nuage porte une faible charge positive, faisant une sorte de double dipôle. La faiblesse de cette charge permet l’utilisation du terme « dipôle positif » aussi bien que « double dipôle » pour décrire un nuage d’orage.

On identifie les trois centres de charge électrique par les lettres p, N et P. La charge positive d’un nuage d’orage, soit le centre P, se situe dans la moitié supérieure du nuage. Au milieu du nuage se trouve le centre portant une charge négative, soit le centre N. Le centre p, de faible charge positive, se trouve à la base du nuage. Les charges électriques des centres P et N sont plus ou moins égales, créant ainsi le dipôle positif. Malan (1963) a documenté les charges et l’altitude des centres p, N, et P pour un nuage d’orage typique en Afrique du Sud. Dans ce nuage, à une altitude de 1,8 km au-dessus du niveau de la mer, la charge a été mesurée à +10 coulombs à 2 km, à -40 coulombs à 5 km et à +40 coulombs à 10 km. Ces valeurs peuvent varier considérablement selon la géographie et d’un nuage à l’autre.

Existe-t-il un lien entre la foudre et les échos radar?

Il existe généralement un lien entre la réflectivité radar et les éclairs à charge négative. Les sources de décharge dans un nuage se trouvent à proximité, mais pas nécessairement à l’intérieur, des zones de plus haute réflectivité (MacGorman et coll., 1983). Cette observation est appuyée par Mazur et coll. (1983 et 1985). Lors de deux études d’orages se manifestant au large de l’île Wallops, en Virginie, Mazur a constaté que la zone de densité maximale de foudre se formait près du front de rafales, avec une réflectivité de 50 dBZ au radar météorologique. Bien que Mazur n’ait pas décrit la polarité de ces éclairs, on en déduit qu’ils proviennent du centre de charge négative. Lopez et coll. (1990) ont également observé que la foudre la plus intense dans un orage au Colorado se produisait dans les zones de plus haute réflectivité.

La génération de charge dans les nuages d’orage

Par quel processus un nuage accumule-t-il une charge?

Le processus par lequel les nuages d’orage accumulent une charge n’est pas complètement compris. Il existe deux théories générales qui expliquent l’accumulation de la charge électrique : la théorie de la convection et la théorie de la gravitation.

La théorie de la convection veut que les ions libres dans l’atmosphère soient captés par les gouttelettes dans le nuage et soient ensuite transportés par les courants convectifs dans le nuage, produisant ainsi les centres chargés.

La théorie de gravitation suppose que les particules portant une charge négative sont plus lourdes que les particules portant une charge positive et que la séparation se fait par la gravité.

Cette théorie de gravitation exige un processus pour l’échange d’une charge électrique entre particules de différentes tailles. Une charge peut être transférée entre particules de différentes formes par des processus inductifs et non inductifs. Un de ces derniers, fort prometteur, est le processus glace-glace, un échange non inductif entre les cristaux de glace et les grêlons.

L’efficacité du processus glace-glace réside dans les propriétés thermo-électriques de la glace. Un défaut cristallin (OH₃)+ dans la glace est plus mobile qu’un défaut (OH)- et le nombre de défauts cristallins augmente avec la température. Quand des particules de glace tempérées rencontrent des particules froides, un défaut positif dans la particule tempérée est échangé plus rapidement qu’un défaut négatif dans la particule froide et, par conséquent, la particule froide accumule une charge globale positive. Alors généralement, un grêlon ou un grain de neige tempéré accumulera une charge globale négative lorsqu’il passe par une région marquée par la présence de cristaux de glace froide.

Les théories de génération de charge dans les nuages d’orage demeurent spéculatives. Avec le temps, la popularité de chaque processus proposé a varié. Il s’agit d’un nombre inadéquat d’expériences en laboratoire et d’observations sur le terrain. Il est clair qu’il n’existe aucun processus unique qui peut générer la charge nécessaire selon toutes les conditions possibles. Par exemple, le processus glace-glace, le plus largement accepté aujourd’hui, ne peut pas expliquer le phénomène rare de la foudre dans les nuages chauds. La recherche démontrera probablement qu’une combinaison de processus en est responsable.

La foudre

Pourquoi y a-t-il de la foudre?

L’accumulation de charge dans un nuage d’orage est une condition instable. Lorsque le champ électrique créé par l’accumulation est au voisinage de 3 à 4 kilovolts/cm dans le centre de charge négative du nuage, le percement électrique de l’air a lieu et la charge est échangée dans le nuage ou au sol. Cet échange se fait par un éclair

Est-ce que la foudre revêt les mêmes formes ?

Il y a quatre formes de foudre :

1. la foudre qui se produit entre deux points dans le mêmes nuage;
2. la foudre qui se produit entre un nuage et l’air qui l’entoure;
3. la foudre qui se produit entre un nuage et un nuage adjacent et;
4. la foudre qui se produit entre un nuage et le sol. On dénomme ces coups de foudre éclairs intranuageux, éclairs nuage-air, éclairs nuage-nuage et éclairs nuage-sol.

Les éclairs intranuageux font la redistribution de la charge électrique dans le nuage. Selon Uman et Krider (1989), plus de la moitié des éclairs dans l’hémisphère nord sont d’une telle nature. Les éclairs nuage-nuage et nuage-air sont moins communs. Mis à part pour l’aviation, ces trois formes de foudre ont peu d’impacts sur l’être humain.

Les éclairs nuage-sol sont très communs et bien documentés. Ceux-ci nous touchent grandement et causent des blessures et des mortalités, dérangent les communications et le transport d’énergie et allument des incendies de forêt. En raison de leurs impacts, les éclairs nuage-sol font l’objet de nombreuses recherches.

Une décharge nuage-sol peut transférer soit une charge positive ou une charge négative, selon son origine. Ceci peut être déterminé par la polarité du courant dans le coup de foudre. Le tableau suivant fait état de quelques caractéristiques des décharges nuage-sol positives et négatives.

Il existe aussi des décharges sol-nuage, lesquelles sont observées à partir de gratte-ciel comme l’Empire State Building; cependant, on ne les distingue pas des décharges nuage-sol dans la plupart des études.

La foudre monte-t-elle ou descend-elle?

La foudre fait les deux. Par définition, un éclair nuage-sol provient d’un nuage, mais il peut souvent commencer au sol, comme en font foi les structures en branche de l’éclair que l’on observe dans certaines photographies.

La vraie réponse à la question est du côté du processus impliqué dans un éclair.

L’éclair nuage-sol à charge négative est composé de trois phases. Il y a le traceur par bonds, le trait de retour et finalement le traceur de dard.

Le traceur par bonds prend la forme d’un petit paquet de charge négative qui suit la trajectoire offrant la plus basse résistance entre le nuage et le sol. Avançant par bonds de quelques dizaines de mètres de long et de quelques microsecondes, le traceur laisse derrière lui une traînée de gaz ionisé. Entre chaque bond, le traceur fait une pause d’environ 50 microsecondes. Il peut se diviser, créant ainsi des ramifications.

Alors que le traceur par bonds s’approche du sol, les électrons à la surface du sol s’éloignent du traceur, laissant un centre de charge positive. Des décharges par effet couronné (des claquages diélectriques atmosphériques, aussi connus sous le vocable de « feu de Saint-Elme ») se forment autour des objets élevés à la surface et s’étendent vers le traceur. À l’instant où le traceur entre en contact avec la décharge couronne, un circuit continu est établi entre le nuage et le sol et un trait de retour puissant est déclenché. Celui-ci se propage en vague vers le nuage en empruntant la traînée de gaz ionisé laissée par le traceur par bonds et il recueille les électrons qui se trouvent le long du parcours.

À la suite du trait de retour, l’éclair peut s’estomper, mais s’il existe une charge suffisante dans le nuage, un traceur de dard peut descendre du nuage au sol par une voie directe. Ce traceur de dard déclenche un deuxième trait de retour.

Il peut y avoir plusieurs traits de retour dans un éclair (en moyenne 3 ou 4) et on compte en moyenne de 40 à 80 millisecondes entre chaque trait.

Les éclairs portent-ils une charge positive ou négative?

La décharge nuage-sol positive est moins commune que la décharge négative. Émanant d’une haute altitude dans le nuage, environ 10 % des éclairs portent une charge positive. Un éclair portant une charge positive est normalement composé d’un seul coup avec un courant de longue durée (tableau 1). La durée du courant représente un plus grand danger d’incendie du point de vue forestier.

Il y a eu de nombreuses études portant sur les caractéristiques des décharges positives, mais en raison de la faible quantité d’observations, on ne peut pas tirer de conclusions. Il semble, pourtant, que la fréquence d’éclairs à charge positive augmente avec la latitude et l’élévation du terrain. En outre, les décharges positives sont plus communes durant les tempêtes hivernales, vraisemblablement en raison du point de congélation plus bas. Il en résulte une charge positive plus près du sol, augmentant ainsi la probabilité d’un éclair.

Les décharges positives sont plus communes dans les nuages stratiformes alors que les décharges négatives se produisent plutôt dans les zones de convection prononcée. De plus, les orages qui produisent principalement des décharges négatives au départ se terminent souvent avec des décharges positives quand le nuage en enclume s’aplatit.

Une théorie populaire veut que les vents horizontaux inclinent l’axe du dipôle, créant ainsi une voie pour la décharge positive, mais à ce jour, aucune conclusion définitive n’a été établie.

La détection de la foudre