1. 1. Formation du nuage


Le seul nuage qui provoque un orage est le cumulonimbus. Celui-ci se forme par temps chaud et humide. L'air chaud et humide va avoir tendance à s'élever et en s’élevant, il se refroidit. L'humidité de l'air chaud va alors se condenser en des gouttelettes d'eau voire des cristaux de glace. Le nuage est à ce stade un cumulus humilis. Si le phénomène s'accentue, les courants ascendants pouvant atteindre plus de 100km/h, le nuage va croître en hauteur et en largeur, formant un cumulus mediocris puis un cumulus congentus. Enfin, quand le nuage est assez grand, il atteint des zones froides de l'atmosphère, stoppant les courants ascendants. Des courants horizontaux apparaissent alors, donnant la forme d'enclume, aplatie en haut, si caractéristique du cumulonimbus. Il peut même atteindre la tropopause, limite entre la troposphère et la stratosphère, environ à une dizaine de kilomètres d'altitude. Au niveau supérieur du nuage, l'air étant inférieur à 0°C, la partie haute du nuage, très froide, est composée de grêlons alors que la partie plus basse et plus chaude est plutôt composée de gouttelettes d'eau.
























   


    Ensuite, des vents froids descendent du haut du cumulonimbus, entraînant des chutes de pluie et de grêles, et finissent par refroidir le sol, privant le cumulonimbus de l'air chaud qui l'alimentait. Celui-ci finit par se désagréger.


La montée rapide d'une masse d'air peut avoir différentes causes:

-un sur-échauffement des sols par le Soleil, qui va provoquer la montée d'une masse d'air chaude et humide.

-le contact entre deux masses d'air différentes, on distingue alors plusieurs cas:

- Les orages à front chaud se créent quand une masse d'air chaud avance contre une masse d'air froide et s'élève.









-Les orages à front froid se forment lorsqu'une masse d'air froide se déplace sous une masse d'air chaud, la faisant monter.








-Les orages à front occlus se créent lorsqu'une masse d'air chaud est coincée entre deux masses d'air froid qui la soulèvent. Lors de ces orages la base des cumulonimbus est généralement à des altitudes très élevées.

-la proximité d'un relief : en avançant vers un relief, une masse d'air chaud et humide s'élève.


    Les orages peuvent se former quasiment n'importe où. Cependant ils sont beaucoup plus nombreux près de l'équateur, et ils sont inexistants dans les régions polaires ou sub-polaires. En effet il fera beaucoup plus chaud près de l'équateur qu’en Suède.

  1. 3. Comment s'en protéger ?


  1. A l'intérieur.


    Il existe plusieurs moyens se protéger des effets des éclairs chez soi. On peut tout d'abord utiliser un paratonnerre, qui, contrairement à ce que son nom indique, ne protège pas du tonnerre. Un paratonnerre simple est composé de trois parties : un dispositif de capture, le plus souvent une tige métallique pointé vers le ciel, puis un conducteur de descente généralement du cuivre destiné à conduire l'éclair à la troisième partie du paratonnerre, la prise de terre qui va propager le courant dans le sol. Le paratonnerre protège les habitations car il y a plus de chances que l'éclair le frappe, épargnant l'habitation qu'il protège.


    Cependant, même si le paratonnerre protège l'habitation contre l'impact de la foudre, il ne protège pas les appareils électriques qui peuvent être endommagé suite à une surtension du réseau si l'éclair    frappe un  câble d'alimentation électrique par exemple. C'est pourquoi on utilise un parafoudre, ou parasurtenseur, qui va créer un court-circuit, protégeant les appareils.


    On peut aussi suivre quelques précaution: il vaut mieux ne pas téléphoner d'un téléphone fixe, et débrancher des appareils électriques (sauf si l'on est équipé de parafoudre). Par contre, fermer les fenêtre  et les portes ne sert absolument à rien pour se protéger des éclairs, ceux-ci ne suivants pas les courants d'air et pouvant traverser les murs. 


  1. A l'extérieur.


    Si vous êtes à l'extérieur, une des meilleures solutions pour se protéger est de se placer dans une voiture (sauf décapotable!). En effet, le courant va glisser le long de la carcasse métallique de la voiture sans pénétrer à l'intérieur. En tout cas, il ne faut évidemment pas s'abriter sous un arbre isolé, ni s'allonger au sol. En effet, le foudroiement par tensions de pas est beaucoup plus important que si l'on est debout, c'est pour cette raison qu'il vaut mieux marcher en faisant de très petits pas plutôt que de courir pour s'abriter. Il faut aussi s'écarter des clôtures et objets métalliques, et il faut immédiatement sortir de la mer ou d'une piscine.

  1. 2. Conséquences


  1. Humaines


Nous pouvons être foudroyés de plusieurs manières différentes:


     Par foudroiement direct : la foudre s'abat directement sur nous













    Par foudroiement par éclair latéral : nous sommes sur le chemin de la foudre (par exemple si l'on se trouve à proximité d'un arbre, la foudre peut nous traverser car nous sommes un chemin de moindre résistance que le tronc.).

                                  

                                            C'est pourquoi il est dangereux de se réfugier sous un arbre pour

                                            s'abriter pendant un orage, surtout si cet arbre est isolé.














    Par foudroiement par tension de pas :  lorsque la foudre s'abat sur le sol, le courant va s'écouler dans le sol et générer un gradient de potentiel. Si l'on se trouve à proximité du point d'impact, le courant nous traverse et plus nos pied sont écartés plus la différence de potentiel nous traversant va être élevée et donc dangereuse (c'est ainsi qu'un seul coup de foudre peut tuer un élevage entier de bêtes). C'est pour cette raison qu'il faut faire de très petits pas lors d'un orage.                                                                                


    Par foudroiement par tension de toucher : si un éclair s'abat près d'une maison,

il peut créer une différence de potentiel entre des objets et si on les touche, on

est électrocuté, par exemple avec un robinet d'eau et un réfrigérateur.

 








    Le foudroiement peut causer divers dommages sur l'homme : le principal risque est l'arrêt cardio-vasculaire. Il peut aussi y avoir des lésions de type neurologiques, cardio-vasculaires, pulmonaires, auditives ou oculaires.  


  1. Matérielles

 

    Un coup de foudre peut détruire des bâtiments en causant des incendies ou des explosions. De plus, si la foudre s'abat sur une ligne électrique, elle peut causer des surtensions détériorant les appareils électriques et électroniques.

                                       

  1. 1. Caractéristiques


    La foudre englobe les deux phénomènes que sont l'éclair et le tonnerre. L'éclair est la manifestation visuelle, le tonnerre la manifestation sonore de la foudre.


  1. L'éclair.


    Pendant le passage de la foudre, les gaz de l'atmosphère sont ionisés, il y a une émission de lumière. Celle-ci dépend de différents facteurs comme l'humidité de l'air ou la présence de certaines particules dans l'atmosphère. Cependant, en général, un éclair blanc nous indique que l'air est sec, un éclair jaune qu'il y a beaucoup de poussière dans l'atmosphère, un rouge qu'il pleut, et un bleu qu'il grêle.   

                                   






















    Il existe plusieurs types d'éclairs suivant l'avancement de l'orage. On observe d'abord des éclairs intra-nuageux (environ 75% des éclairs formés), puis inter-nuageux et enfin l'éclair nuage/sol (environ 10% des éclairs formés). Ce dernier peut lui-même prendre des formes différentes: il y a l'éclair fulminant, courbé, l'éclair ramifié (lorsqu'il se divise en plusieurs branches), et l'éclair sinueux.

               















    Différents cas particuliers de la foudre existent aussi :

    Pendant un orage, certains témoins disent apercevoir pendant quelques secondes des boules de feu jaunes orangées flottants dans les airs. Son diamètre peut varier de 20 à 40 cm mais certains témoins font états d'un diamètre de un mètre. Elle se déplace de manière aléatoire et disparaît soit silencieusement soit en explosant. L'étude des dégâts causés par l'explosion indique qu'elle aurait une température d'environ 10 000°K. Ce qui est le plus étrange est que ces boules semblent pouvoir traverser des fenêtre ou des portes sans laisser de traces. C'est encore un phénomène inexpliqué mais plusieurs hypothèses existent: la plupart des scientifiques pensent qu'ils s'agit d'un plasma fortement ionisé, mais deux chimistes néo-zélandais pensent qu'en frappant la terre composé de silice et de carbone, sous la chaleur de l'impact, ces deux corps s'assembleraient en des molécules de silicium pour former une sphère pleine d'air encore brûlant.












    Parfois lors d'un orage on peut observer des éclairs « silencieux », sans tonnerre, on les appelle les éclairs de chaleur. En réalité, les éclairs sans tonnerre n'existent pas. C'est simplement que pour différentes raisons, par exemple si l'orage est trop loin, les ondes sonores du tonnerre se dissipant avec la distance, on n'entend pas le tonnerre qui est pourtant bien là.


    Quelques chiffres:

il y a en moyenne 100 éclairs qui frappent la surface terrestre toutes les secondes (total annuel mondial: 32 000 000 éclairs)

La longueur des éclairs peut aller de 100 m à au moins 25 km

La température de l'air est très élevée, environ 30000 degrés le long du trajet de l'éclair. (5 fois la température de la surface du Soleil!)

la vitesse d'un éclair est d'environ 40000 km.s-1 (soit un peu plus d'un dixième de la vitesse de la lumière)

un éclair peut atteindre au maximum 100 millions de Volts et  30000 ampères

Puissance maximale : un à dix milliards de watts.


    Un rêve de l'homme serait de capter l'énergie des éclairs. Cependant, même si l'éclair possède une grande puissance, il est si bref que l'énergie d'un éclair est assez faible, environ 280kW.h-1. Ainsi même si l'on pourrait capter la totalité des énergies des un à deux millions d'éclairs s'abattants sur la France par un monstrueux réseaux de paratonnerre coûtant horriblement cher, chaque français n'obtiendrait qu'environ une énergie de 6 kW.h-1 , soit environ trois heures d'utilisation d'un four...


  1. Le tonnerre


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 299 792 458m.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 espacé dans le temps). En déterminant le temps séparants 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.

  1. 3. Formation de l'éclair


Comme nous l'avons vu, il y a une opposition de charges à l'intérieur du nuage.

L'air est un isolant. Pourtant il peut devenir conducteur suite à ce que l'on appelle l'effet avalanche. Lorsqu'un électron se trouve dans un champ électrique assez puissant, il va acquérir de l'énergie cinétique (vitesse) et si celle-ci est assez grande, en rencontrant un atome dans l'air, va l' ioniser en lui arrachant un électron qui va à son tour ioniser un autre atome et ainsi de suite. C'est le phénomène d'avalanche.


Voici une animation intéressante tirée d’un autre site de TPE sur la foudre (cliquez ici)


   

















   








    La grande concentration de charge à la base du nuage fournit un champ électrique assez puissant pour provoquer ce phénomène d'avalanche. Une petite étincelle va se former à l'intérieur du nuage. Des électrons vont jaillir de la base du nuage et former un canal ionisé de deux ou trois centimètres de diamètre dans l'air, on l'appelle le « traceur » ou « précurseur ». Cependant, plus le traceur s'éloigne du nuage, plus le champ électrique diminue et à un moment, il n'est plus suffisant pour maintenir l'effet avalanche, le traceur s'arrête. Cependant, un autre phénomène va entrer en jeu: l'effet de pointe : au voisinage d'une pointe, le champ électrique est beaucoup plus intense. Or, en s'accumulant au bout du traceur, les électrons vont créer une pointe et donc l'effet de pointe! Le champ électrique redevient assez puissant pour reformer l'effet avalanche, puis diminue, etc… Ce traceur est pour cette raison appelé aussi « traceur par bonds ». Cela explique qu'un éclair n'est pas droit mais formé de plusieurs segments. Quand le traceur s'approche assez près de la Terre, il va provoquer la formation de traceurs ascendants, partant principalement de pointes ou de points hauts situés à la surface de la Terre (comme un arbre ou le toit d'une église). Le traceur par bonds va alors choisir le chemin le plus simple vers l'un de ces traceurs ascendants. Au moment du contact, la Terre et le nuage sont reliés et un courant d'une intensité considérable va partir de la Terre vers le nuage, c'est « l'arc de retour », la foudre! Tout cela se produit évidemment très rapidement, le traceur par bonds se déplaçant à environ 200km/s,  il met un centième de seconde pour arriver au sol et fait des pauses d'environ 50 microsecondes entre chaque bond.


Et en voici une autre du même site (cliquez ici)

un éclair rouge signe de de pluie
 


       
                   
                   

        éclair sinueux                           éclair ramifié                            éclair fulminant

 

avion frappé par de la foudre en boule

 

EXPLICATION DU PHENOMENE NATUREL DE LA FOUDRE

  1. 2. L'électrisation du nuage


Nous avons vu que de l'air chaud et humide s'élève pour former un nuage composé de gouttelettes d'eau et de grêle parfois. Ces forts mouvements ascendants vont favoriser un frottement entre les différents composants du nuage (glaçon, gouttelettes d’eau, poussières, etc.). En se frottant, ces particules vont s'échanger des électrons par effet triboélectrique (frottements de matières différentes) et des charges vont apparaître à l'intérieur du nuage. Les particules chargées négativement vont avoir tendance à descendre vers le bas du nuage (plus lourdes) tandis que les particules chargées positivement vont avoir tendance à monter (plus légères). Le nuage va finir par devenir un gigantesque dipôle chargé positivement à son sommet et négativement à sa base (il est évident que c'est un phénomène global, il peut se trouver des charges positives vers la base du nuage mais négligeables par rapport aux charges négatives). La Terre, sous le nuage, va se charger positivement à cause de l'influence électrostatique du nuage (la base du nuage chargée négativement repousse les charges négatives de la Terre qui devient alors chargé positivement sous le nuage). Il apparaît donc un champ électrique sous le nuage.