Foudre

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La foudre est un phénomène naturel de décharge électrostatique disruptive qui se produit lorsque de l'électricité statique s'accumule entre des nuages d'orage, ou entre un tel nuage et la terre. La différence de potentiel électrique entre les deux points peut aller jusqu'à 100 millions de volts et produit un plasma lors de la décharge, causant une expansion explosive de l'air par dégagement de chaleur. En se dissipant, ce plasma crée un éclair de lumière et le tonnerre^[1].

La foudre a tendance à frapper de préférence les régions de haute altitude et les objets proéminents. Le tonnerre peut résonner d'un craquement sec lorsque l'éclair est proche ou gronder au loin. Comme la lumière voyage beaucoup plus vite que le son, l'éclair est visible avant que le tonnerre ne soit audible, ce qui permet d'estimer la distance a laquelle la foudre est tombée.

Elle présente de nombreux dangers : électrocution, déclenchement d'incendie, interférences électromagnétiques nuisibles à l'aviation et à la navigation, etc. C'est pourquoi, plusieurs techniques ont été développées pour la détecter et la canaliser afin de protéger les êtres vivants et les équipements.

Des éclairs zébrant le ciel de Schaffhouse (Suisse). Photo prise depuis Dörflingen. Un oiseau est aussi visible dans l'image. Quatre images de celui-ci sont visibles du fait de l'effet stroboscopique dû aux éclairs.

Éclair au-dessus d'une ville

La charge

Cycle de vie d'un orage : fort mouvement ascendant au début et descendant ensuite. Ce qui crée les conditions favorables au transport des charges électriques

Distribution des charges électriques et de la foudre dans un orage grâce aux différences de potentiel créées

Les nuages d'orage (cumulonimbus) créent les conditions météorologiques favorables à l'accumulation de charges électriques et, par conséquent, à la création d'un condensateur géant^[2] :

• Une différence de température importante entre le bas et le haut du nuage, induisant de violents déplacements d'air ;
• La présence de particules diverses comme de la glace et des poussières qui par effet triboélectrique vont faciliter l'arrachement ou l'ajout d'électrons, selon le signe ;
• L'air (et tout ce qu'il contient) étant électriquement chargé, il se crée dans le nuage des zones à potentiel électrique différent : négatif à sa base et positif à son sommet (cette configuration semble apparaître dans 80 à 90% des cas (les 10 à 20% restants donnent un nuage positif à sa base)^[3]. Il s'ensuit un champ électrique très important.

L'électrisation du nuage d'orage est basée sur deux phénomènes : la gravitation et la convection.

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 une limite critique, autour de −15 °C, les grains de grésil se chargent négativement, et positivement si cette température est supérieure à ladite limite. Comme les grains tombent plus rapidement que les cristaux, ils transportent depuis les zones supérieures du nuage, où les températures sont inférieures à −15 °C, des charges négatives vers le bas^[2]. Le seuil des −15 °C dépassé, celles-ci deviennent positives. On obtient alors une structure tripolaire du nuage avec une couche médiane chargée négativement entourée de deux couches positives. Cependant, les chocs entre particules ne sont pas seuls à l'origine de l'électrisation du nuage.

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^[2].

D'une part, les rayons cosmiques frappent les molécules d'air situées au-dessus du nuage et les ionisent : ces ions négatifs se fixent aux cristaux et aux gouttelettes du nuage et forment une couche appelée « couche écran » en haut du nuage. D'autre part, le champ électrique intense au voisinage des objets pointus à la surface de la Terre produit une « décharge Corona » d'ions positifs : quand le potentiel de l'objet pointu est suffisant, 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 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. La couche inférieure positive du nuage étant assez fine, c'est la couche négative qui aura une influence sur la Terre. En effet, lors d'un orage, celle-ci se charge positivement par influence.

La décharge

Animation de la décharge

Lorsque ce champ électrostatique dépasse les limites diélectriques de l'air (variables selon les conditions d'humidité et de pression), il s'ensuit la décharge de foudre conduisant à un rééquilibre électrostatique (généralement une petite décharge de 50 à 100 mètres de longueur à la base du nuage, vers le bas mais un tiers de ces décharges proviennent du sol et montent vers les nuages et sont généralement visibles lors de gros orages).

Ce qui se passe ensuite pour un éclair nuage-sol se fait en trois étapes^[1],[4] :

1. 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, avance vers une zone de charge opposée à une vitesse de l'ordre de 200 km/s. Une seconde décharge suit, prolongeant le traceur de quelques dizaines de mètres. Ce précurseur progresse par bonds (d'où le nom de traceur par bonds) de longueurs proportionnelles à l'amplitude de la décharge. Le traceur est le plus souvent à multiples branches, la progression vers le sol correspondant au chemin de moindre résistance ;
2. les charges positives accumulées sous l'orage, en réponse à l'approche de la charge négative des précurseurs, ont tendance à se concentrer sur des objets élevés et pointus, tels que les arbres, les poteaux et les bâtiments, un phénomène que tentent d'exploiter les paratonnerres. Cela initie à un certain moment un traceur vers le nuage ;
3. quand les deux se rejoignent, en général à moins de 100 mètres du sol, un arc électrique en retour se déclenche, utilisant le canal du précurseur (traceur en dard). Il libère les charges électriques accumulées et donne l'éclair proprement dit et le courant se propage à une vitesse qui peut atteindre 100 000 km/s^[5].

Les décharges entre nuages se produisent de façon similaire en utilisant les zones de charges opposées d'un nuage à l'autre. Pour ce qui est des décharges dans un nuage, ne passant pas à l'air libre, il n'y a pas d'arc de retour mais seulement la rencontre des traceurs. Le processus de formation de la foudre peut atteindre une vitesse de 40 000 km/s et la décharge passe dans un canal qui a entre 50 mètres et 25 km de longueur et environ 3 cm de diamètre^[5].

Couleurs et longueurs d'ondes

Eclairs à Belfort en France.

Le long du chemin parcouru, la décharge peut atteindre 100 millions de volts, ce qui surchauffe les gaz et les ionise (la température peut y atteindre 30 000 °C, cinq fois celle de la surface du soleil). Ceci forme un plasma conducteur, ce qui explique l'émission soudaine de lumière que l'on observe^[5]. Ce phénomène lumineux est appelé « éclair ». La couleur de cet éclair dépend de plusieurs facteurs : la densité de courant, la distance de l'observateur à l'éclair et les différentes particules présentes dans l'atmosphère. Cependant, en général, la couleur de l'éclair est blanche dans un air sec, jaune en présence d'une grande quantité de poussière, rouge en cas de pluie et bleue en présence de grêle^[6].

La perception de couleur blanche de l'éclair est liée à l'ensemble des longueurs d'ondes des différents éléments composants l'air électrifié. L'air est notamment composé de manière notable d'oxygène et d'azote^[7] qui contribuent à des longueurs d'ondes correspondant au vert (508 à 525 nm) et jaune-orange (599 nm) pour l'oxygène et bleu (420 à 463 nm) et rouge (685 nm) pour l'azote^[8]. Mais ce n'est là qu'une partie des longueurs d'ondes participant à la lumière de l'éclair, car d'une part, ces éléments produisent aussi d'autres longueurs d'ondes, et d'autre part, l'air contient d'autres éléments.

Fréquence

Carte de la fréquence de la foudre dans le monde. Plus de 1,2 milliards d'éclairs se forment par an, principalement en zones équatoriale (Le Rwanda est le plus touché pour ce qui est du nombre d'impacts de foudre par km²)^[9]

La foudre est l'objet d'études statistiques car il y a de nombreuses différences de caractéristiques (amplitude, durée, nombre d'arcs en retour) suivant l'éclair (intra-nuage, nuage-sol, positif, négatif) :

• selon une étude française, 50 % des coups de foudre ont une intensité inférieure à 50 000 A et 99 % inférieure à 200 000 A^[2]. Environ 60 % des décharges sont intra ou inter-nuages ; on estime à 32 millions le nombre d'éclairs frappant le sol chaque année dans le monde ;
• La fréquence des coups de foudre est définie à partir du niveau kéraunique (nombre de fois où le tonnerre a été entendu dans l'année) et surtout de la densité de foudroiement (nombre de coups de foudre au km² par an). Ce dernier mode de quantification peut être alimenté par des moyens de mesure, les détecteurs de foudre : moulin à champs, antennes directionnelles et capteurs par satellites ;
• On ignore si la fréquence ou la répartition des éclairs a été modifiée à la suite de l'artificialisation des milieux, au dérèglement climatique et à la création par l'homme d'objets attirant la foudre.

Fréquence exceptionnelle durant un orage en 1991 à Sydney en Australie : un éclair toutes les 30 secondes pendant deux heures

On voit dans l'image de droite que la foudre est plus fréquente à l'équateur et, selon la latitude dans les zones chaudes et humides, notamment près des littoraux. En effet, les orages qui produisent la foudre sont engendrés par une instabilité de l'atmosphère et une humidité de bas niveau. Les zones équatoriales, plus chaudes et humides sont donc plus orageuses que les zones polaires.

Naturellement, les conditions à l'échelle synoptique organisent la convection également. Ce n'est pas partout à l'équateur que les conditions sont favorables à la formation des orages. Ainsi, la zone de convergence intertropicale, où convergent les alizés, donne le soulèvement nécessaire pour la formation d'orages assez continuels mais, au nord et au sud de celle-ci, on a un mouvement descendant de l'air qui dégage le ciel. De la même manière, les eaux des courants marins froids inhibent les orages (ex. côte ouest de l'Amérique du Nord et du Sud) alors que les eaux chaudes les favorisent (ex. le Gulf Stream où se déplacent les ouragans).

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^[1],[5]. Elle peut consister en un bruit sec ou un roulement sourd selon la distance séparant l'auditeur de la foudre.

Autres effets

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 repoussé leur découverte par les scientifiques à ces dernières décennies.

Des positrons ont été accidentellement détectés (en 2009) autour d'un avion volant à l'intérieur d'un nuage d'orage^[10].

Distance

La vitesse du son permet une bonne approximation de la distance qui sépare un observateur d'un éclair. Dans l'air, à pression atmosphérique et à 15 °C, le son parcourt 340,88 mètres par seconde. Ainsi, la durée qui sépare la perception visuelle d'un éclair (pratiquement instantanée^[11]) de la perception auditive du tonnerre, permet de calculer la distance qui sépare l'observateur de l'éclair^[5]. Par exemple, à 15 °C, pour une durée de 10 s, la distance entre l'observateur et l'éclair sera de , soit environ 3,4 km.

Naturellement, la pression et la température réelle de l'air vont changer cette valeur mais de très peu dans les conditions normales (ex. à 0 °C la vitesse du son est de 330,9 m/s). Au point d'origine de l'éclair où on retrouve un plasma, cette variation est significative sur une très courte distance mais cela est négligeable sur le chemin total parcouru par le son. Ce qui peut être plus important dans cette approximation est la stabilité de l'air. En effet, le son se disperse dans des conditions instables et porte plus loin dans des conditions stables. Ceci veut dire qu'il est très possible de voir un éclair sans entendre le tonnerre et donc de ne pas pouvoir calculer la distance à l'orage. Ainsi, les orages estivaux se produisent dans de l'air instable et il y a une limite à la perception du tonnerre. Dans le cas des orages hivernaux se produisant au-dessus d'une couche stable d'inversion de température, le son sera réverbéré en altitude par cette couche et ne sera généralement pas perçu au sol mais s'il peut la pénétrer, il portera très loin.

Différents types de foudre

Éclairs intra et inter-nuages

La disposition des charges électriques dans l'orage, telle qu'expliquée antérieurement, crée des différences de potentiel entre le sommet, le centre et la base de l'orage. Lorsque le potentiel est suffisamment grand, l'air entre ces différents niveaux n'est plus assez isolant et un claquage se produit. La foudre alors générée peut se produire entre les différentes parties du nuage ou entre des nuages voisins.

Comme ces couches sont plus près en général les unes des autres qu'elles ne le sont du sol, ce genre d'éclairs sera le premier à se produire. À mesure que l'orage prend de l'extension verticale et que le potentiel augmente, la foudre nuage-sol prendra le dessus sans jamais être la seule. Le changement de proportion entre le type inter/intra-nuageux et nuage-sol est donc une indication du stade de développement du cumulonimbus.

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  Éclair intra-nuageux au-dessus de Toulouse

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  Éclair inter-nuageux au Maroc

Éclairs nuage-sol

Il existe deux types de foudre nuage-sol^[2] : soit descendant (sommet du nuage vers le sol) ou soit ascendant (sol vers base du nuage). Le type descendant est le plus fréquent mais un basculement de ce type vers le type ascendant est souvent indicatif de temps violent car le nuage est alors particulièrement développé. Le type ascendant se produit également souvent à l'avant du nuage proprement dit, car il part de l'enclume, ce qui peut surprendre les gens qui se pensent à l'abri en voyant l'orage dans le lointain. Le type ascendant est le plus fréquent dans le cas de coup de foudre sur des structures de grande hauteur (tour, pylône).

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  Éclair nuage-sol à Alger

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  Éclair nuage-sol près d'Issoudun

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  Éclair nuage-sol près de Dardilly

Foudre en boule

Gravure du XIX^e siècle illustrant le phénomène de foudre en boule

La foudre en boule, ou foudre globulaire, est un phénomène se produisant parfois à l'impact (dans de très rares cas, avant). Elle se présente en règle générale sous la forme d'une sphère lumineuse de taille variable (de l'ordre du centimètre à plusieurs dizaines de centimètres de diamètre). Les observations rapportent différentes couleurs (blanc, rougeâtre, parfois jaune, etc.) et une durée de vie très différente selon les cas, mais le plus souvent tout au plus quelques secondes. Encore aujourd'hui, les connaissances à son sujet sont assez fragmentaires. Il a été tenté de nombreuses fois de la reproduire en laboratoire, comme selon la théorie chimique imaginée par les chercheurs néo-zélandais John Abrahamson et James Dinnis^[12], sans toutefois apporter d'explication définitive au phénomène. Les premières « boules de feu » artificielles auraient été créées par des scientifiques brésiliens de cette façon^[13] :

1. un arc électrique créé entre deux électrodes vaporise du silicium pur ;
2. en se refroidissant, le nuage de silicium se contracte ;
3. le silicium se combine à l'oxygène de l'air. La réaction chimique dégage de l'énergie donnant une température estimée de 1 700 °C à ces boules de feu qui tournent généralement sur elles-mêmes juste au-dessus du sol puis disparaissent.

Dangers

Il y a environ 2 000 orages dans le monde entier à chaque instant. Ces orages produisent entre 30 et 100 éclairs nuage-sol par seconde ou environ 5 millions d'éclairs par jour^[14]. Les dommages à travers le monde sont donc importants. Par exemple en France, selon l'INSERM, il y a de 15 à 25 décès par an liés à la foudre^[15].

Les dangers de la foudre sont définis par :

• Les effets directs (thermoélectriques) : la circulation d'un très fort courant électrique échauffe la matière et cause des dommages mécaniques souvent très importants, voire spectaculaires. Chaque année, en France, environ 2 millions de coups de foudre sont enregistrés par les systèmes de détection, et près de 250 clochers sont plus ou moins gravement endommagés par le "feu du ciel" qui provoque également entre 15 000 et 20 000 incendies^[2].

• Les effets indirects (électromagnétiques)^[2] : le courant de foudre induit d'une part une tension de mode commun (U = R I+ L dI/dt) et un champ électromagnétique d'une intensité exceptionnelle. Il s'ensuit la génération d'impulsions électriques parasites très puissantes, qui sont majoritairement en cause dans les dégâts d'après les statistiques. Ces parasites suffisent en effet à dégrader des matériels électroniques sensibles (téléviseurs, ordinateurs, etc.) même si l'éclair est éloigné. Si l'éclair est plus proche, le parasite peut aussi détruire des matériels plus résistants (lampes, moteurs, fours…).

• La conduction^[16] : Pourquoi les vaches craignent-elles la foudre ? Le foudroiement direct d'animaux (ou personnes) est très rare. Cependant, lorsque la foudre frappe la terre, les charges électriques se dissipent dans le sol dont le potentiel électrique devient plus ou moins important suivant la nature du sol (sa résistivité) et la distance à l'impact. La différence de potentiel (tension) entre deux points est d'autant plus importante que l'écart est grand (amplitude d'un «pas»), pour une résistivité donnée. Plus cette tension est importante, plus le courant qui peut alors circuler par les membres inférieurs est important. Ce phénomène est appelé « tension de pas », plus élevée pour une vache orientée dans la direction du rayon d'un cercle dont le centre est l'impact, que pour un être humain^[17].

Détection

Antennes faisant partie d'un réseau de détection de la foudre en Chine. Ce réseau peut détecter les éclairs en trois dimensions dans les orages

Il existe différents systèmes de détection de la foudre :

• Le moulin à champ est un instrument de mesure d'un champ électrique statique. En météorologie, cet instrument permet, grâce à l’analyse du champ électrostatique au-dessus de lui, de signaler la présence d'un nuage électriquement chargé traduisant l'imminence de la foudre^[18],[19] ;
• Réseau d’antennes réceptrices qui reçoivent le signal radio généré par la décharge. Chacune des antennes en tire la direction d’où vient la foudre et son intensité. Par triangulation des directions, on peut ensuite déduire la position^[20] ;
• Système mobile qui n’utilise qu’une antenne directionnelle pour déduire la direction et l’intensité du coup de foudre pour ensuite déduire la distance par l’analyse de la fréquence et de l’atténuation de l'amplitude du signal^[20] ;
• Détection par satellite artificiel des éclairs produits par les orages en balayant la zone de vision pour la détection des flashs lumineux. On utilise pour cela des satellites géostationnaires comme les GOES et METEOSAT qui se situent à environ 36 000 km de la Terre. À cette distance, on peut négliger l'épaisseur de l'atmosphère et la position peut être déduite en latitude et longitude directement^[21].

Les réseaux de détecteurs de foudre sont utilisés par les services météorologiques comme le Service météorologique du Canada, Météo-France et le National Weather Service américain pour suivre les orages et prévenir les populations. D'autres utilisateurs privés et gouvernementaux les utilisent également, dont en particulier les services de préventions des feux de forêts, les services de transport d'électricité, comme Hydro-Québec, et les usines d'explosifs.

Le repérage par satellite est en développement, il a un meilleur taux de détection mais les données sont rapportées à intervalles de 5 à 10 minutes et non en continu. Les systèmes mobiles sont utilisés par l’industrie du transport aérien à bord d’avions afin de détecter les orages et de les éviter.

Protection

Éclair frappant la Tour Eiffel en 1902

La foudre est comme issue d'un générateur parfait de courant. Une des méthodes de protection est donc de faciliter la circulation des charges électriques vers la terre au moyen de conducteurs dédiés.

Le paratonnerre va faciliter le chemin du canal foudre par effet de pointe. Le paratonnerre sera efficace à condition d'être en présence d'un coup de foudre descendant dont le précurseur avance par bonds successifs^[22] ; ce qui est le cas dans 90 % des coups de foudre. Il est, ensuite, très important d'assurer une continuité électrique de grande capacité jusqu'à la terre.

Ce procédé ne garantit pas l'interception d'un arc électrique, qui peut tomber juste à proximité. Pour cette raison, les constructions industrielles sensibles sont équipées de nombreuses pointes et filins conducteurs. Il est aussi conseillé de réaliser l'interconnexion de toutes les parties conductrices présentes aux abords (par exemple les conduites d'eau) avec ce circuit de descente de foudre.

Un bon dispositif extérieur de protection d'une installation contre la foudre est constitué de quatre composantes :

1. Un dispositif de capture, qui peut prendre plusieurs formes : fils tendus, paratonnerres à tige ou paratonnerres à dispositif d'amorçage, conducteurs maillés… Ces dispositifs doivent être dimensionnés, en fonction du niveau de protection souhaité, par la méthode de la sphère fictive déduite du modèle électrogéométrique de la foudre, de manière à ce qu'un impact foudre se produise préférentiellement sur le dispositif et non sur l'installation à protéger;
2. Une bonne liaison équipotentielle de toutes les pièces métalliques du bâtiment connecté au puits de terre, constituée d'un réseau de conducteurs nus et enterrés, en contact intime avec le sol, qui doit permettre de disperser "facilement" les courants dans le sol. Pour ce faire, ces conducteurs doivent présenter une faible résistance à la terre^[23], ce qui permet en outre de limiter les surtensions susceptibles d'apparaître sur les liaisons électriques extérieures qui pénètrent dans l'installation à protéger;
3. Des conducteurs de descente, qui assurent la jonction entre le dispositif de capture et le puits de terre;
4. Des parasurtenseurs au niveau du tableau électrique principal afin de dissiper toutes les charges électriques qui pourraient circuler sur le réseau électrique du bâtiment (entre autres par induction, même sans contact direct avec la foudre) et risqueraient d’endommager les appareils branchés à l'installation électrique.

Cet ensemble de conducteurs doit être interconnectés correctement et durablement.

Toutefois, l'installation d'un paratonnerre ne prend pas en compte les effets indirects de la foudre sur une installation. La circulation du courant foudre sur les conducteurs du dispositif génère un champ magnétique impulsionnel intense qui peut perturber voire détruire certains constituants de l'installation électrique du bâtiment à protéger. Plusieurs solutions peuvent être envisagées afin de limiter ces effets :

• éloigner les conducteurs de capture et de descente de l'installation à protéger, puisque le champ magnétique rayonné par un conducteur est inversement proportionnel à la distance par rapport à ce conducteur ;
• multiplier ces conducteurs de manière à diviser les courants : on réduit ainsi les niveaux de champs à proximité des conducteurs et si le courant est bien réparti autour de l'installation à protéger, on obtient également un effet de compensation du champ magnétique créé par chaque conducteur ;
• augmenter l'atténuation propre à la structure de l'installation, par exemple par une amélioration de la continuité électrique du ferraillage dans le cas de constructions en béton armé (soudure des croisements et des chevauchements de fers), de manière à constituer un meilleur écran électromagnétique ;
• améliorer l'équipotentialité des masses métalliques de l'installation pour limiter les différences de potentiels induites, en interconnectant les différents éléments conducteurs de l'installation (poutres métalliques, conduites d'eau, châssis des armoires et des équipements électriques…), au moyen de tresses de masse par exemple ;
• apporter un traitement particulier au câblage de l'installation : placer les câbles au plus près des masses métalliques (poutres par exemple) ou sur des chemins de câbles métalliques reliés à la masse à leurs deux extrémités, ce qui permet de réduire les surfaces des boucles de masses et donc les tensions parasites induites aux entrées / sorties des équipements électriques.

Dans les réseaux électriques, on évite que la foudre tombant sur les lignes électriques ne se propage à l'intérieur du poste en installant au-dessus des conducteurs électriques de ces lignes des câbles de garde, qui en plus de leur rôle de support de communication (ils contiennent des fibres optiques), jouent un rôle de protection contre la foudre. Au-delà de cette protection primaire, la protection des installations électriques contre les surtensions produites par la foudre sur les conducteurs actifs des liaisons électriques est réalisée par l'utilisation de composants parasurtenseurs (parafoudres, éclateurs à gaz, thermistances, diodes Transil) qui ont pour but de court-circuiter les impulsions parasites cheminant sur les liaisons électriques en dérivant la majeure partie de l'énergie de l'impulsion directement vers la terre. Le bon câblage de ces composants est essentiel à leur efficacité ainsi que la longueur et la position des câbles, qui jouent en effet un rôle primordial.

À l'extérieur, les règles de protection individuelles sont en ville de se protéger dans un bâtiment et en campagne de s'éloigner de tout point culminant (effet de pointe des arbres, des clôtures). La voiture avec sa carcasse métallique, est une assez bonne cage de Faraday. La position la plus sûre si on ne peut se mettre à l'abri est celle de la « boule de sécurité » qui consiste à s’accroupir, les pieds joints et sans toucher le sol avec les mains^[24].

Le risque de foudre peut être apprécié par la « règle des 30-30 », selon laquelle il devient impératif de se protéger contre la foudre si le délai entre éclair et coup de tonnerre est inférieur à 30 secondes (l'orage est situé à une distance d'environ 10 km) ou si le délai écoulé après le dernier éclair ou coup de tonnerre est inférieur à 30 minutes^[25].

Normalisation en France

Le dimensionnement d'un dispositif extérieur de protection foudre est régi en France par les normes NF EN 62 305 et NF C 17-100^[26], qui proposent une méthode d'analyse de risque à partir de paramètres tels que la sensibilité d'une installation (présence de matières dangereuses, risque de panique…) et son exposition au phénomène foudre, estimée à partir de statistiques de foudroiement de la zone géographique dans laquelle l'installation à protéger se situe^[2]. Cette analyse aboutit à la détermination d'un niveau de protection à apporter et à partir duquel la norme propose un dimensionnement adéquat du dispositif extérieur de protection de l'installation.

L'analyse de risque proposée par la norme NF EN 62305-2^[27] est beaucoup plus fine, mais également plus difficile à appliquer, que celle de la norme NF C 17-100. Quant à la norme NF EN 62305-3^[28], elle propose des solutions plus concrètes et est beaucoup plus exhaustive concernant les configurations d'installations que la norme NF C 17-100.

Également, la norme NF EN 62305-4^[29] permet de prendre en compte les effets de l'impulsion magnétique créée par un impact foudre sur une installation électrique, contrairement à la NF C 17-100 qui ne traite que des effets directs.

Les paratonnerres à dispositif d'amorçage (PDA) sont régis par la norme NF C 17-102^[30] mais leur utilisation est très controversée à cause du manque de démonstrations solides de l'augmentation du rayon de protection qu'un PDA est censé apporter par rapport à un paratonnerre classique de hauteur équivalente.

En ce qui concerne les parafoudres à placer sur les liaisons d'alimentation en entrée d'une installation électrique, se référer à la norme NF EN 61643-11^[31] pour le choix des caractéristiques de ces composants et au guide UTE C 15-443 pour des préconisations sur leur intégration dans l'installation électrique. La norme NF C 15-100 donne quelques informations à ce sujet mais renvoie essentiellement à ces deux textes. Les liaisons de communications entre installations peuvent également nécessiter une protection des interconnections électriques par parafoudres, régies par la norme NF EN 61643-21.

Énergie

Certaines personnes caressent l'idée de récupérer l'énergie de la foudre pour s'alimenter en électricité. Une telle récupération de l'énergie des éclairs paraît pour l'instant peu probable, car non seulement elle nécessiterait la couverture de l'ensemble du territoire par un nombre immense de paratonnerres, mais elle serait très peu productive. En effet, un éclair est un phénomène ponctuel dégageant une grande puissance, mais sur une faible durée. L'énergie produite est donc relativement faible, même comparativement à d'autres énergies renouvelables.

L'ordre de grandeur de l'énergie de la foudre est de quelques centaines de kilowatts-heures par choc (environ 280 kWh, en incluant l'énergie de l'onde rayonnée magnétiquement). Il y a entre 1 et 2 millions de chocs par an en France. Ainsi, si cette énergie était récupérée et partagée entre les 65 millions d'habitants de ce pays, chacun obtiendrait une part de l'ordre de 6 kWh par an, équivalent de trois heures d'utilisation d'un four.

Grâce au télescope spatial Fermi, Michael Briggs et ses collaborateurs ont analysé le spectre d'émission des flashs de 17 éclairs ; ils y ont trouvé un pic net à 511 kilo-électron-volts, l'exacte quantité d'énergie produite par l'annihilation d'un électron et de son antiparticule, le positron^[32].

Armement

Un autre projet futuriste est celui de domestiquer la foudre comme arme militaire. La fiction est pleine de références sur ce mythe (notamment la « centrale météo » génératrice de tempête du jeu Command and Conquer : Alerte rouge 2). Pour le moment, on ne sait si les expériences dans ce domaine ont été vraiment concluantes, et ce pour les raisons évoquées plus haut.

Dans la mythologie grecque, l'égide est cette arme avec laquelle Zeus lance des éclairs.

Arts

La décharge de foudre ; série de peintures des dix héros de Tametomo, par Yoshitsuya Ichieisai — Japon, années 1860.

Certains photographes, appelés chasseurs d'orages, se sont spécialisés dans les clichés de foudre.

Foudre est un film écrit et réalisé par Manuela Morgaine entre 2004 et 2012. Il a été sélectionné au festival de Rotterdam de 2013, et visible dans les salles au printemps 2013. Entre documentaire et fiction, ce film met en scène quatre saisons différents sens du mot foudre : celle qui foudroie, celle qui réanime, celle qui engendre une mythologie et enfin le coup de foudre amoureux^[33].

Un espace muséographique entièrement consacré à la foudre existait dans le Cantal, à Marcenat dans le Cézallier, au cœur du Parc naturel régional des volcans d'Auvergne, mais il a fermé en septembre 2012. La maison de la Foudre avait été créée en 1992 par Alex Hermant^[34]

The Lightning Field est une œuvre d'art de l'artiste Walter de Maria créée en 1977. Elle se trouve au Nouveau Mexique aux États-Unis et elle se compose de plusieurs poteaux en acier. C'est une œuvre de Land art, qui peut donc être frappée par la foudre, ce qui arrive cependant rarement.

Notes et références

Voir aussi

Bibliographie

• Christian Bouquegneau, Doit-on craindre la foudre ?, EDP Sciences, coll. « Bulles de sciences »,‎ 15 juin 2006, 184 p. (ISBN 2868838413 et 978-2868838414, présentation en ligne)
• Claude Gary, La Foudre : Nature - Histoire - Risques et Protection, Dunod,‎ 27 mai 2004, 3^e éd., 224 p. (ISBN 2100072617 et 978-2100072613, présentation en ligne)
• Alex Hermant et Gérard Berger, Traqueurs d'orages, Nathan,‎ mars 1999, 260 p. (présentation en ligne)
• (en) M.A. Uman, Lightning, New York, McGraw Hill,‎ 1969
• (en) M.A. Uman, All about lightning, New York, Dover Publications Inc.,‎ 1986
• (en) M.A. Uman, The lightning discharge, Orlando (Floride), Academic Press,‎ 1987
• (en) E.R. Williams, « The electrification of thunderstorms », Scientific American, vol. 259, n^o 5,‎ novembre 1988, p. 88-99 (résumé)
• E.Barten, P.Ollier, R.Piccoli, « Les orages et la foudre », magazine Auvergne-Sciences, Laboratoire de recherche sur la foudre,‎ avril 2013 (lire en ligne)

Articles connexes

• Détecteur de foudre
• Feu de Saint-Elme
• Zeus
• Kéraunopathologie, spécialité biomédicale qui étudie le foudroiement
• Fulgurite, du verre naturel.
• Orage
• Chasseur d'orages
• Thor
• Fulgora, personnification de la foudre dans la mythologie romaine
• Georg Wilhelm Richmann

Liens externes

• Quelle est l'origine des orages ? par le site Culture Sciences-Physique de l'École normale supérieure de Lyon
• Protection contre la foudre dans les installations BT
• Documentaire sur les orages. En 26 minutes, celui-ci propose un survol des connaissances de bases des orages telles que la genèse d'une cellule orageuse, l'électrisation des nuages, le niveau kéraunique mondial, les types de coups de foudre, la genèse d'un coup de foudre descendant négatif, etc.
• Série audiovisuelle - Histoires d'orages - La foudre par Christian Bouquegneau, dans le cadre de la série audiovisuelle Histoires d'orages mise sur pied par le collectif belge Belgorage, une interview a été réalisée avec le D^r Ir Christian Bouquegneau, professeur à la faculté Polytechnique de Mons en Belgique.
• Doit-on craindre la foudre ? Vidéo d'une conférence donnée par le professeur Christian Bouquegneau, Faculté polytechnique de Mons, et animée par Mathieu Vidard, producteur de l'émission La Tête au carré sur France Inter, le 7 septembre 2006 au Musée des arts et métiers
• Laboratoire de Recherche sur la Foudre (unité de recherche Pégase)

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