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Formation d'un coup de foudre Version imprimable Suggérer par mail

La foudre : un phénomène complexe

Préambule : le cumulonimbus 

Le phènomène de la foudre fait partie d'un ensemble de phénomènes complexes. Cet ensemble est le phénomène de l'orage. L'orage est associé à un nuage particulier : le cumulonimbus.

 Formation d'un cumulonimbus

Un cumulonimbus est un nuage de type convectif. Une masse d'air chaude au sol monte et crée donc un mouvement ascendant de particules d'air. Ce mouvement est compensé par un mouvement descendant d'air froid. La masse d'air chaud contient de la vapeur d'eau, en montant cet air chaud rencontre des masses d'air plus froides et l'eau se condense (se transforme en goutelettes), voire gèle (grêle, neige). Cette condensation peut amplifier le phénomène de courants ascendants et descendants et on assiste à la création d'une véritable "pompe". dans le cas d'un cumulonimbus, on peut illustrer ce phénomène de pompe par ce schéma simplifié :

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Les particules d'eau en se déplaçant dans ces puissants courants se chargent, soit positivement (perte d'un ou de plusieurs électrons), soit négativement (gain d'un ou de plusieurs électrons). La "pompe" peut alors être considérée comme une pompe à charges électrostatiques. Ce qui est illustré ci-dessous :

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Nous avons donc la présence d'un dipole électrostatique. Nous ne rentrerons pas ici dans les détails de l'électrostatique et des phénomènes de cet ordre. On peut toutefois aisément assimiler le fait que la présence d'une part de charges positives et d'autre part de charges négatives est typiquement une situation de déséquilibre ou d'instabilité, et que, comme dans presque tout phénomène physique, cette situation va avoir tendance à revenir vers un équilibre. On peut également comprendre aisément qu'entre des charges positives et des charges négatives, on va avoir l'apparition d'une tension, ou d'une différence de potentiel.

Le champ électrique

Un champ électrique existe lorsqu'on a présence de charges positives et de charges négatives. Ce champ s'exprime en V/m (Volts par mètre). On peut de manière schématique le voir comme le rapport entre une tension appliquée et une distance. Prenons simplement le cas d'une pile (le mieux aurait été un condensateur pour se rapprocher du modèle du cumulonimbus) et "branchons-la" à l'air avec deux fils, on va pouvoir faire varier ce champ électrique :

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Si l'air était conducteur, on ne parlerait pas de champ électrique, car les charges passeraient d'un côté à l'autre et il serait donc impossible de maintenir une tension entre deux points distincts de l'air. L'air est isolant. Comme tout isolant, il a une tension de claquage. A cette tension, l'air ne peut plus maintenir l'isolement et les charges peuvent se déplacer. Cette tension de claquage est fonction de beaucoup de paramètres et notamment de la taille de la couche d'air. Cette tension de claquage est d'ailleurs plutôt mesurée en V/m. La tension de claquage de l'air sec est de 30kV/cm.

De manière naturelle et sans présence de cumulonimbus, le champ électrique terrestre est voisin de 100 V/m. Nous sommes bien sûr loin de la veleur de 30kV/cm, ce qui est heureux. En cas d'orage, le champ électrique terrestre avoisine les 15 à 20 kV/m. Si on représente le champ sur une courbe en dessous du nuage d'orage, on obtient ceci :

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Le coup de foudre 

 Si on ne prend en compte que ces valeurs de tension de claquage de l'air sec, on pourrait en conclure qu'aucun phénomène n'est prêt à se produire. En effet, la tension de claquage de l'air sec est de 30 kV/cm, soit 3 000 kV/m ou 3 MV/m et le champ électrique au niveau du cumulonimbus est de 15 kV/m.

Mais le phénomène se complique. On pourrait déjà éliminer le facteur "sec" de l'air, ce qui diminue déjà sa tension de claquage. En outre, se crée une ionisation de l'air (Nous ne rentrerons pas dans le détail de ce phénomène, très complexe et qui nécessite des notions de physique que nous ne souhaitons pas aborder ici.). Des traceurs (charges négatives dans les zones tempérées) se développent à la base du nuage. Ces traceurs progressent par bonds successifs en créant un canal ionisé (se trouvent dans ce canal des particules chargées négativement). Du côté du sol se produit un phénomène similaire : des effluves se créent. Au fur et à mesure de ces phénomènes, le champ électrique entre le traceur provenant du nuage et celui venant du sol augmente considérablement. Enfin, il y a une décharge électrique intense qui emprunte ce canal ionisé et provoque un arc en retour, depuis le sol jusqu'au nuage. C'est le coup de foudre. Par la suite, un courant de fuite circule dans le sens inverse, puis il peut y avoir un deuxième arc en retour. Et plusieurs décharges vont ainsi emprunter le canal ionisé.

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Première étape : un traceur descend du nuage et progresse par bonds successifs
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Deuxième étape : le traceur continue sa progression. Au sol, des effluves commencent
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Troisième étape : un arc en retour emprunte le canal ionisé : c'est le coup de foudre