Précurseur de
double coup de foudre

Vous savez certainement que la foudre est une décharge d'électricité (statique) entre le sol et un nuage (un cumulonimbus pour être précis).

Il s'agit d'un claquage du diélectrique que constitue l'air, soumis à un intense champ électrique.

Nous allons nous intéresser surtout à l'électricité. Si vous voulez savoir comment se forme un orage, lisez le cours de Serge Chauzy, je donne le lien dans les références. Pour l'essentiel, il existe deux grands cas :

• Les orages "intra-masse", ceux qui se développent en fin d'été dans une masse d'air homogène,
• et ceux résultants de l'arrivée d'un front froid sur une masse d'air chaude.

Dans tous les cas, on se retrouve avec de l'air chaud et humide qui remonte en altitude, où l'eau se condense en refroidissant, et retombe en pluie, voire en grêle en gelant.

Avant le coup de foudre, regardons ce qui se passe dans un matériau soumis à un champ électrique, généralement non-conducteur, on l'appelle alors diélectrique.

Lorsque le champ électrique est faible, il ne se passe pas grand-chose.

En augmentant progressivement la valeur du champ électrique, les électrons des atomes deviennent de plus en plus perturbés, et ils finissent par ne plus rester en place et un arc électrique apparait : c'est le claquage.

On parle de rigidité diélectrique qui est le rapport entre la tension maximale sans claquage et la distance qui sépare les électrodes entre lesquelles est appliquée la tension, on obtient alors des "volt par mètre", la valeur du champ électrique.

Beaucoup de paramètres interviennent dans cette histoire de claquage, et dans le cas qui nous intéresse, il s'agit d'air possédant un certain taux d'humidité, avec en plus des gouttelettes d'eau et des cristaux de glace.

Le champ disruptif de l'air est de l'ordre de :

Autrement dit, il faut 36 kV pour réaliser un arc de 1 centimètre. Sauf que l'humidité vient modifier considérablement cette valeur :

Personnellement, j'ai en tête la valeur de 1000 volts par millimètre, tout ça parce que j'ai travaillé dans la microélectronique, et qu'il faut connaitre les gardes à appliquer contre les décharges électrostatiques.

Il faut surtout retenir l'ordre de grandeur de ces tensions de claquage, car cela nous servira à estimer le champ électrique et les tensions mises en jeu. Ces histoires de claquage sont nettement plus compliquées que ça.

Le champ électrique existant à l'intérieur d'un nuage ─on parlera du sol plus loin─ est créé par l'accumulation de charges électriques, positives d'un côté et négatives de l'autre alors que l'on est dans un environnement initialement neutre.

La séparation des charges positives et négatives est provoquée principalement par trois mécanismes, et la glace en est l'élément essentiel :

1. Les collisions entre « graupels » et cristaux de glace.
2. Les chocs inductifs, un mécanisme renforçant le précédent.
3. L'électrisation convective, où des particules chargées sont entrainées par les courants ascendants et descendants.

Il s'agit des mécanismes communément admis.

Le mécanisme principal de séparation des charges provient des collisions entre :

• les graupels = des particules de neige roulée possédant des vitesses de chute de l’ordre du mètre par seconde
• les cristaux de glace en quasi-suspension dans l’air nuageux.

La situation est compliquée par l'existence d'une température critique Tc dite « température d’inversion de polarité ».

Lorsque la température est très basse (dans la partie haute du nuage), le graupel acquiert une charge négative, et le cristal une charge positive. L’inverse se produit à température plus élevée (dans la partie basse du nuage).

Cette température critique dépend de plusieurs paramètres, en particulier la quantité d’eau liquide surfondue.

Le champ électrique régnant dans les nuages polarise les hydrométéores. Ceci renforce la séparation des charges par induction lors des chocs, mais ne peut pas constituer le phénomène primaire.

Les courants atmosphériques, ascendants et descendants, transportent les charges électriques et amplifie ainsi le champ électrique. Les ions positifs présents majoritairement à la base des nuages remontent avec les courants ascendants, et l'inverse pour les ions négatifs.

Ces phénomènes d'ionisation conduisent à un schéma moyen de la répartition des charges dans un nuage, un tripôle électrique, avec une partie centrale négative.

C'est le moment de placer notre nuage électrisé dans l'environnement terrestre global, un élément rarement abordé dans les articles grand-public sur le sujet.

Si vous ne le saviez pas, la Terre est entourée par une couche conductrice appelée ionosphère qui porte ce nom car les molécules sont ionisées par les rayonnements solaires et cosmiques.

L'ionosphère constitue la première électrode d'un condensateur sphérique dont la Terre elle-même est l'autre électrode.

La capacité d'un tel condensateur vaut de l'ordre de 0,075 Farad, ce qui n'est pas énorme, on fabrique des supercapacités bien plus grosses, mais la tension maximale est bien plus importante, environ 300 kV à l'altitude de 50 km.

Ce qui nous donne une charge d'environ 550 000 Coulombs, à comparer plus loin à la charge écoulée dans un éclair, de l'ordre de 5 C.

Il existe donc un courant de beau temps qui tend à décharger le condensateur Terre-ionosphère, transporté par le champ électrique global, de l’ordre de 2 à 3 10^-12, soit pour tout le globe une intensité de 1500 A environ (1500 Coulombs par seconde).

Et ce sont précisément les orages eux-mêmes qui permettent un courant opposé qui va globalement maintenir le champ électrique et la charge totale du condensateur.

La majorité des décharges électriques se produisent à l'intérieur des nuages, et c'est l'activité principale en début d'orage. Ce sont les éclairs intra-nuages. Ils se produisent, comme on peut s'en douter, entre deux zones de charges opposées.

Puis se produisent les éclairs nuage-sol, ceux qui nous intéressent.

La naissance se produit dans zone de champ électrique maximum par une phase bidirectionnelle appelée précurseur (ou traceur, ou leader). Il s'agit d'une double décharge faiblement lumineuse dont la branche positive se propage vers une région chargée négativement et la branche négative vers une région chargée positivement.

C'est là que se produit une ramification à la recherche du chemin le plus conducteur.

Lorsque la décharge est un éclair intra-nuage, les deux branches du précurseur relient entre elles deux régions nuageuses de charge opposée. Le canal conducteur ainsi formé joue le rôle de court-circuit et donne naissance à la deuxième phase de l’éclair appelée « recoil streamer ». Ce canal est alors parcouru par un courant électrique intense qui tend à neutraliser une partie des poches de charge qu’il connecte.

Certains de ces éclairs, appelés « spider flashes » (ou éclairs araignée) parcourent des distances horizontales qui peuvent dépasser la centaine de kilomètres au sein des systèmes orageux étendus.

Lorsque le précurseur vient du nuage, on a affaire à un éclair descendant, bien évidemment.

Mais parfois le précurseur provient d'un pic, une tour, un bâtiment élevé, et dans ce cas c'est un éclair ascendant.

On peut les reconnaitre grâce à la direction des ramifications.

En fonction de la polarité de la zone de charge nuageuse qui lui a donné naissance, un éclair peut être positif ou négatif. Ce qui donne le sens du courant.

90% des éclairs nuage-sol sont négatifs et descendants. Si jamais il reste des charges à écouler, il peut se produire un arc-en-retour ascendant "subséquent" qui suivra le même chemin.

Il existe d'autres phénomènes lumineux qui se produisent lors d'un orage comme les elfes et farfadets, on pourra consulter le cours donné en référence à la fin, d'où sont tirées les explications précédentes.

Des chercheurs de l'Université de Groningue aux Pays-Bas ont découvert qu'après la décharge, des charges négatives s'accumulent en un cône ionisé le long de structures appelées aiguilles.

Les charges ne sont pas entièrement déchargées lors de l'éclair et restent stockées le long d'un champ électrique radial de forme conique où l'air est ionisé. Les électrons sont très mobiles mais pas les ions positifs, plus lourds, ce qui favorise la propagation de l'électricité vers l'extérieur et donc un rayon du cône plus grand. Il apparaît alors des petits canaux perpendiculaires chargés négativement que les chercheurs ont appelé « aiguilles », et qui mesurent entre 10 et 100 mètres de long et moins de 5 mètres de large.

Du coup, après recharge du nuage, un nouvel éclair aura tendance à reprendre le même chemin, l'ionisation étant déjà présente.

Si la décharge électrique provoque un éclair lumineux (et un signal électromagnétique) qui se propage à la vitesse de la lumière, elle provoque également un coup de tonnerre, un son qui se propage ... à la vitesse du son.

Le tonnerre est provoqué par la dilatation brutale de l'air chauffé à 30 000 °C dans le canal de l'éclair d'un diamètre d'une dizaine de centimètres.

Du coup on peut connaitre assez facilement la distance à laquelle un éclair est tombé en comptant le temps écoulé entre le flash lumineux et le tonnerre, en négligeant la vitesse de la lumière devant la vitesse du son qui vaut environ 340 m/s.

On retiendra facilement que 3 secondes font 1 kilomètre.

La foudre provoque une onde électromagnétique que l'on va détecter avec un goniomètre, autrement dit deux antennes perpendiculaires, ce qui permettra de mesurer son intensité sur chaque axe, et ainsi déduire sa direction. Couplées avec un GPS, on obtiendra précisément l'heure de détection. Avec plusieurs antennes, on peut alors trianguler et connaitre l'origine de l'éclair.

C'est un peu plus compliqué qu'il y parait car on souhaite aussi détecter si c'est un éclair intra-nuage ou un éclair au sol.

• Explications par meteorage.com

Voici quelques statistiques :

• en France, c'était 453 000 éclairs par an en moyenne, mais à présent on est dans le million par an.
• 1,4 milliard sur la planète, soit 44 éclairs par seconde
• En dix ans :
  • 230 éclairs sur l'Empire State Building
  • 37 éclairs sur la tour Eiffel
  • 1874 impacts sur le pic de Bigorre

Le courant de décharge nuage-sol négative, la plus courante, est d'une trentaine de kA durant quelques microsecondes (soit 0.1 C). La décharge initiale est généralement suivies plusieurs décharges de moindre intensité (moitié moins), toutes les 50 ms.

Les décharges positives sont plus violentes, on parle plutôt de 200 kA pendant quelques millisecondes (soit 1000 C).

On parle souvent de 100 MV de tension pour un éclair, 20 kV/m sur 5 km, à comparer à la tension de claquage de 1 MV/m, tension qui tombe dès que le courant est établi dans le canal ionisé.

Côté puissance, vous trouverez pas mal d'estimations pifométrées, généralement de l'ordre du gigaWatt, comme une centrale nucléaire, voire plusieurs centaines de GW.

Avec une telle puissance, il existe des effets secondaires du genre rayonnement X et gamma, réactions nucléaires, phénomènes lumineux bizarres, décharges dans les lignes haute tension, et autres résonances de Schumann...

Sur les dix dernières années (2013-2022), dans 20 pays d'Europe :

• 215 cas de foudroiements
• 83 décès
• 971 blessés
• En France, 56 cas de personnes foudroyées ont été relevés

Chaque année dans le monde (étude de 2016)

• 240 000 blessés après avoir été foudroyées
• 24 000 morts par an

mais c'est difficile à collecter comme information...

A l'endroit où la foudre touche le sol, la tension est loin d'être nulle car la terre possède une certaine résistance. Du coup il existe un champ électrique qui peut être mortel si on touche la terre en deux endroits suffisamment éloignés : c'est la tension de pas.

Cette histoire de tension de pas est également valable près d'une ligne haute tension.

Un avion est touché par la foudre une fois pour 1000 heures de vol environ. Le plus ennuyeux sont les délaminations superficielles et les perturbations sur l'électronique. Dans le temps, les réservoirs étaient moins bien protégés, en 1963 le réservoir d'un avion avait pris feu, puis s'était écrasé...

Si vous n'avez pas une caravane en fibre de verre, alors vous êtes assez bien protégé dans votre véhicule, comme pour les avions, l'électricité s'écoulera le long des parois.

Mais il n'empêche que l'énergie est très puissante, et des dégâts importants peuvent survenir, en particulier quand la foudre tombe directement sur le véhicule, la chaleur générée peut être énorme, voire déclencher un incendie. Et l'électronique ne va pas aimer, surtout les batteries si c'est un véhicule électrique, il y a intérêt à ce qu'elles soient bien enveloppées dans du métal.

C'est relativement simple avec peu de moyens :

• Un déclenchement automatique avec un détecteur sera délicat sans matériel adapté, autant faire simple : choisissez un temps de pose de 15 secondes par exemple, et n'hésitez pas à multiplier les prises, évidemment, puisque ce sera au hasard. Ce sera plus facile et joli la nuit.
• Mettre l'appareil sur un trépied, et si vous avez une télécommande, utilisez-la. Si vous appuyez manuellement sur le déclencheur, retarder d'une seconde.
• Champ large, car vous ne savez pas où tombera l'éclair, vous recadrerez plus tard.
• La mise au point sur l'infini, l'éclair sera loin de toute manière (et heureusement 😉).
• Avec un temps de pose aussi long, il va falloir régler l'ouverture pour ne pas avoir trop de lumière parasite. Le plus simple est de faire quelques essais pour trouver le réglage adapté à votre situation (surtout si vous avez des lampadaires dans le champ).
• Le flash est parfaitement inutile...
• Et être patient... mais avec un gros orage, avant qu'il commence à flotter, vous aurez de belles photos.

Quelques références plus ou moins utiles, mais qui m'ont servies à construire la présente page :

• Un excellent cours sur les éclairs : De l’orage dans l’air par Serge CHAUZY / Université de Toulouse - Laboratoire d’aérologie / CNRS - UMR 5560
• LE site de référence sur les orages : meteorage.com. Ils détectent la position des éclairs en temps réel, font des statistiques, etc... 98% des impacts de foudre détectés avec une précision médiane de 100 mètres. Ce sont des Français à Pau !
• Wikipedia présente un article sur la foudre plutôt bien fait et bien illustré (et c'est rare que je dise du bien).
• Le site d'astrosurf/luxorion sur les orages et les éclairs est bien documenté et illustré.
• Les phénomènes électriques dans l’atmosphère Bulletin de L’union des physiciens numéro 663 [1980]