Comment se forme la foudre : ce que dit la science

Comment se forme la foudre : ce que dit la science

La foudre est une décharge électrostatique atmosphérique causée par l'accumulation de charges électriques dans les nuages. Ces décharges se produisent lorsque la rupture diélectrique de l'air se produit lorsqu'une valeur de champ électrique particulière est dépassée. Un canal ionisé est alors généré dans un état de plasma qui facilite le transfert de charge entre deux points. Les connaissances scientifiques sur la formation de la foudre devraient être utilisées pour optimiser les systèmes de protection contre la foudre.

L'étude de la foudre et des phénomènes connexes fait appel à différentes branches de la physique, de la physique atmosphérique à la physique des plasmas et à l'électrodynamique quantique. À ce jour, le mécanisme exact par lequel la foudre est générée dans les nuages n'est pas entièrement compris, pas plus que le mécanisme par lequel la foudre frappe un certain point. Cependant, malgré les difficultés rencontrées dans l'étude de ces décharges atmosphériques, les observations et les mesures permettent d'obtenir de plus en plus d'informations. [1].

Ce qui suit est un résumé de ce que la science dit sur la formation de la foudre, en se concentrant en particulier sur la foudre nuage-sol en raison de son importance pour la protection contre les orages.

Formation de la foudre dans les nuages d'orage

Les nuages d'orage sont généralement de type cumulonimbus et se forment lorsque les conditions sont propices à la croissance verticale du nuage. Les cumulonimbus sont de gigantesques moteurs thermiques qui convertissent l'énergie solaire en énergie mécanique des courants d'air et en énergie électrique de la foudre. [2], [3].

Lorsque des nuages d'orage se forment, l'équilibre des charges positives et négatives dans l'atmosphère est rompu, car il y a polarisation des charges électriques. Ainsi, la partie inférieure des nuages se charge négativement, induisant une charge positive sur le sol et les éléments situés au-dessus. Un champ électrique pouvant atteindre des dizaines de kilovolts est ainsi généré.

Le nuage acquiert une charge électrique par le biais de différents mécanismes d'électrification. On pense que le principal d'entre eux implique des collisions entre des particules millimétriques de grêle molle ou de graupel et de petits cristaux de glace en présence de gouttelettes d'eau surfondue. L'eau surfondue se caractérise par le fait qu'elle n'est pas gelée malgré une température inférieure à 0 °C [1]-[4].

Cependant, on ne connaît pas encore tous les détails des processus microphysiques de décharge qui génèrent les traceurs et les processus qui produisent les champs électriques nécessaires à la formation des éclairs. Ainsi, le (ou les) mécanisme(s) physique(s) par lequel (lesquels) les décharges atmosphériques sont initiées dans les nuages d'orage n'a (n'ont) pas encore été résolu(s). En effet, après des décennies de mesures du champ électrique à l'intérieur des nuages, un champ électrique suffisant pour déclencher des décharges n'a pas été détecté, du moins selon le consensus scientifique actuel [1].

Connexion des traceurs descendants et ascendants formant le rayon nuage-terre

Lorsque le champ électrique d'ionisation de l'air est dépassé, l'air peut passer d'un isolant presque parfait à un milieu conducteur à travers lequel la charge du nuage cherche le chemin le plus direct vers le sol. Un traceur ou leader descendant est alors généré et quitte le nuage en emportant une partie de sa charge. Il est également connu sous le nom de "traceur en escalier", car il avance par étapes discrètes. Sur le trajet de la foudre entre le nuage et le sol, le traceur descendant peut se diviser en plusieurs branches [2] et se propager dans n'importe quelle direction. il peut se diviser en plusieurs branches [2] et se propager dans n'importe quelle direction, mais toujours par bonds qui dépendent du courant associé à cette décharge.

Une fois que la foudre est suffisamment proche du sol, le champ électrique s'élève au niveau du sol et un ou plusieurs points d'éléments mis à la terre commencent à décharger des décharges de couronne [2]. [2]. Il s'agit de décharges électriques produites par l'ionisation du gaz entourant un conducteur chargé. Elles sont à l'origine de courants ascendants ou de traceurs. Le premier traceur ascendant qui atteint le traceur descendant créera un chemin de décharge nuage-sol. Lors du dernier saut du traceur descendant, la direction n'est plus aléatoire mais déterminée par le traceur ascendant à portée de main.

Lorsqu'il est intercepté par un objet, le courant cherche le chemin le plus rapide vers le sol, générant une impulsion de courant à très haute énergie d'une amplitude de dizaines ou de centaines de milliers d'ampères (course de retour). [2]. Si le nuage se charge davantage après la course de retour, de nouveaux arcs, appelés courses subséquentes, peuvent apparaître.

La récente étude observationnelle de Saba et al [5] a utilisé une caméra vidéo à grande vitesse pour analyser la dynamique des leaders dans un faisceau nuage-sol. . La vidéo de cette publication en libre accès est disponible en ligne.

L'impact évalué a été enregistré le 30 mars 2021 et, d'après les images vidéo obtenues, 31 lignes de force ascendantes provenant des bâtiments environnants ont été trouvées dans la direction des lignes de force descendantes. Ces dernières se caractérisent par une propagation rectiligne et non ramifiée, tandis que les premières se caractérisent par des ramifications. La flèche ascendante qui s'est connectée à la flèche descendante était trois fois plus rapide que le reste des 31 flèches détectées.

Dans une publication ultérieure, également observationnelle, Saba et al [6] ont analysé un impact antérieur (du 1er février 2017), intercepté par un paratonnerre d'un bâtiment résidentiel. Dans cette étude, des mesures du champ électrique, du courant et de la vitesse des amorces ascendantes ont été effectuées à l'aide de caméras vidéo à grande vitesse, d'un capteur de champ électrique et de capteurs de courant installés sur les paratonnerres.

Les auteurs ont observé que les amorces en amont réagissaient aux différentes ramifications de l'amorçage en aval, en alternant leur propagation et leur intensité. Ce schéma intermittent s'est arrêté juste avant la connexion des leaders, lorsque tous les traceurs descendants se sont intensifiés et, par conséquent, les leaders ascendants se sont synchronisés dans leurs impulsions de courant. [6].

En outre, les courants ascendants induits par les traceurs descendants se propagent à une vitesse plus ou moins constante. Le courant ascendant relié au courant descendant était le plus rapide de tous ceux générés, suivi par le courant ascendant le plus proche du dernier saut ou du saut final. D'autre part, l'amorce ascendante reliée à l'amorce descendante a connu une augmentation de vitesse juste avant le saut final, estimée à au moins 45 fois la vitesse moyenne de l'amorce ascendante. De même, le courant continu le plus élevé a été mesuré sur le traceur amont relié au traceur aval [6].

Une protection intelligente contre la foudre basée sur la science

La connaissance scientifique du phénomène de la foudre est cruciale pour l'optimisation des systèmes de protection contre la foudre. Les dispositifs d'émission précoce de traceurs (terminaux aériens ESE) sont basés sur l'émission continue du traceur ascendant avant tout autre objet dans leur rayon de protection. Au lieu d'être un processus aléatoire comme dans le cas de la protection conventionnelle, les ESE se caractérisent par le contrôle de l'émission du traceur en l'ajustant au bon moment, ce qui permet d'élargir la zone de couverture.

Le paratonnerre intelligent DAT CONTROLER® REMOTE se distingue sur le marché des terminaux aériens ESE, capable de s'auto-évaluer et de communiquer des diagnostics quotidiens via la connectivité IoT. Cet ESE est non seulement conforme aux tests réglementaires, réalisés consécutivement sur le même échantillon, mais il est certifié au-delà des exigences réglementaires pour fonctionner dans des conditions défavorables de fortes pluies, d'atmosphères explosives, etc.

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Références

[1] J. R. Dwyer et M. A. Uman, "The physics of lightning", Phys. Rep, vol. 534, no. 4, pp. 147-241, 2014.

[2] V. Cooray, Une introduction à la foudre. Springer Netherlands, 2015.

[3] C. Gomes, éd, Foudre, vol. 780. Springer Singapore, 2021.

[4] M. A. Cooper et R. L. Holle, Reducing Lightning Injuries Worldwide. 2019.

[5] M. M. F. Saba, D. R. R. da Silva, J. G. Pantuso, et C. L. da Silva, 'Close view of the lightning attachment process unveils the streamer zone fine structure', Geophys. Res. Lett, vol. 49, no. 24, déc. 2022.

[6] M. M. F. Saba, P. B. Lauria, C. Schumann, J. C. de O. Silva, et F. de L. Mantovani, 'Upward leaders initiated from instrumented lightning rods during the approach of a downward leader in a cloud-to-ground flash', J. Geophys. Res., vol. 128, no. 8, avril 2023.