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DOSSIER - Foudre : Introduction

Dossier FOUDRE : Introduction

1. Aperçu

La foudre est un des phénomènes géophysique les plus impressionnants qui soit et sa fréquence surpasse largement d'autres phénomènes comme les séismes, les raz-de-marrée, les tempêtes ou les éruptions volcaniques. La foudre produit la lumière la plus brillante et le son le plus fort survenant sur Terre. Phénomène que tout le monde connait et a vu, il y a entre 30 et 100 éclairs toutes les secondes dans le monde entier, soit environ 9 millions de décharges par jour. On pourrait penser alors que la foudre est très bien comprise. Ce n'est pas le cas.

Le caractère aléatoire aussi bien dans l'espace et le temps de la foudre font que c'est un phénomène particulièrement difficile à étudier. Le fait que la durée varie de près d'une seconde pour la décharge totale à seulement quelques dizaines de nanosecondes pour de nombreux processus individuels la composant rend insaisissable son analyse. Enfin son obscurcissement par le nuage orageux lui-même et les conditions dangereuses d'investigations font que la foudre est un des phénomènes qui reste un des plus mystérieux qui soit encore aujourd'hui.

Néanmoins, plus d'un siècle de mesure ont produit une image relativement complète de la phénoménologie de la foudre, que je tenterais dans ce dossier d'expliquer de la manière la plus complète qui soit, sans oublier également les points qui à ce jour en 2017 restent encore et toujours sans réponses.

Je vous invite à consulter ma bibliographie générale à la fin si vous désirez aller encore plus loin. Je mettrais cependant sous forme de lien direct quand ça me semblera nécessaire (des définitions non expliqués ici par exemple). Pour le reste il s’agit surtout d’un travail de “vulgarisation” scientifique, fruit d’une vingtaine d’années de curiosité et lectures régulières sur le sujet, donc avec surtout du contenu dit de "connaissance générale" compilés en rédaction-synthèse personnelle (et non pas du copié-collé), raison pour laquelle vous retrouverez peut-être des fautes, coquilles et probablement aussi des erreurs de raisonnements. Je ne suis pas un expert professionnel dans le domaine et bien entendu ouvert aux corrections. Quelques thèmes de ce dossier sont repris en différents articles sur ma page Facebook. N’hésitez pas à y aller, si vous avez des questions ou voulez commenter, j’y répondrais avec plaisir dans la limite de mes connaissances.

3. Généralités

Orage :
Tout nuage où l'on peut entendre le tonnerre ou voir un éclair, est un orage. Voir mon dossier sur les structures orageuses pour bien plus d'informations sur les orages. (TAG : Storm, Thunderstorm)
Foudre :
La foudre peut être définie comme une décharge électrique aérienne très longue (environ plus d'1km), accompagnée d'une vive lumière (éclair) et d'une violente détonation (tonnerre), se produisant entre deux nuages, entre un nuage et le sol ou un nuage et l'air sec. La foudre est donc l'effet global à la fois lumineux, électrique et sonore. (TAG : Lightning)
Coup de Foudre :
On parle parfois plus spécifiquement de la foudre pour désigner uniquement un éclair nuage-sol donc en désignant une décharge électrique reliant le nuage orageux au contact de la Terre. Le coup de foudre se réfère alors au coté électrique et dangereux de l'éclair lorsqu'il est susceptible de nous frapper (foudroyer, foudroiement). (TAG : Lightning Bolt)
Eclair :
Un éclair désigne le phénomène lumineux de la foudre. L'éclair désigne donc l'intense lumière très longue de la décharge électrique, c'est à dire qu'un éclair est toujours luminescent sous forme de canal unique ou ramifié. La plupart des éclairs proviennent d'orages et se caractérisent par une longueur de 5-10 km, jusqu'à l'extrême de plus de 100 km. Le nom d'éclair désigne lui-même le caractère rapide, soudain, bref et intense de cette lueur zébrant le ciel. (TAG : Flash)
Tonnerre :
C'est le son produit par un éclair, la foudre ou un flash. Souvent sous forme de grondement. (TAG : Thunder)
Flash :
Il s'agit d'un éclair noyé dans le nuage dont on ne voit pas le canal lumineux, simplement la lumière indirecte. On parle aussi d'éclair intranuageux. Un flash peut désigner aussi tout autre chose : Le moment dans la formation de la foudre où sa lumière est la plus intense, ce qui correpond à sa phase de formation en "arc éléctrique". (TAG : Intracloud / Flash)
Arc :
Un arc désigne une impulsion électrique très lumineuse permettant à tout le courant électrique accumulé de s'écouler d'une zone de charge à une autre. (TAG : Stroke)
Spider :
Eclair ayant une forme ramifiée caractéristique d'araignée, c'est à dire aux branches rayonnantes depuis un point central. Souvent, mais pas toujours, un spider corespond à un éclair extranuageux. (TAG : Extracloud, Spider)

2. Histoire

Le Feu Divin

Zeus La foudre prend une place centrale dans pratiquement toutes les mythologies depuis l’antiquité. Les hommes voyaient dans la foudre punitive et le tonnerre grondant le déchaînement divin des forces surnaturelles. Zeus dans la Grèce antique, Jupiter chez les romains, Indra chez les hindous ou Thor chez les vikings se servaient tous de la foudre comme d'une arme pour frapper les mortels de leur courroux. Dans la Bible, les éclairs sont une création de Dieu que lui seul commande et il y est fait allusion, comme à ses flèches enflammées. C'est au milieu des éclairs que Moïse s'approcha du Sinaï. Dans la plupart des mythologies cependant la foudre n'est pas seulement une force destructrice, elle est souvent associé à des dieux créateurs. Tlaloc chez les Aztèques, Illapa chez les Incas ou Chac chez les Mayas sont les dieux à la fois de la foudre, de la pluie et de le fertilité. L'éclair est pris dans la Bible, comme dans notre langue, pour symbole de la rapidité et de la soudaineté.

La Fée Électricité

Abbe Nollet C’est au cours du 17ème siècle que les premières théories savantes sur la foudre font leur apparition, mais l'électricité n'ayant pas encore été découverte, elles se révèlent encore parfois très originales. En 1637, Descartes par exemple a compris que dans l'orage les mouvements d'airs sont massifs et brusques, il pense alors que la foudre est issu du dégagement de chaleur par compression d'une masse d'air fracassée par une autre. Boerhaave en 1724 quant à lui comprend que l'orage est formé d'hydrométéores et imagine une théorie complexe où l’énergie du soleil serait concentré par effet miroir grâce aux cristaux de glace, permettant de créer une zone de vide, qui par effet de compensation provoquerait une explosion soudaine, emportant les hydrométéores présents qui par frottement avec l’air dégageraient une chaleur et un bruit prodigieux. Ces hypothèses seront rejetés par la suite par méconnaissances dans de nombreux domaines, mais cette période riche en théories diverses sonne une transition importante, c’est la fin de l’obscurantisme, le début du siècle des lumières et de la recherche scientifique. C'est dans la même période que la première machine électrostatique est inventé. Les inventeurs redoublent alors d'ingéniosité pour divertir la noblesse dans les salons chics, grâce notamment à de multiples expériences ludiques provoquant de petites secousses électriques (Bouteille de Leyde). L’électricité reste encore du domaine du merveilleux, du spectacle et de la physique amusante.

Le Siècle des Lumières

Benjamin Franklin Il faudra attendre le 18ème siècles pour que la recherche scientifique sur la foudre commence véritablement. Benjamin Franklin fait alors ses premières expériences en laboratoire sur l'électricité et en 1752 prouve par son célèbre cerf-volant, la similitude qui existe entre la foudre et les étincelles produites en laboratoire. On lui doit notamment les mesures montrant que la charge principale dans la partie inférieure d'un orage est négative. Il est également l'inventeur du paratonnerre. À la suite de Franklin, il y a eu peu de progrès significatifs dans la compréhension de la foudre. Les recherches se focalisent alors surtout sur l’électrostatique de laboratoire (Du Fay, Coulomb), la conduction électrique (Gray, Ohm, Joule, Thomson), sur l’électricité du vivant (Galvani, Cavendish), l’électrochimie (Volta, Kohlrausch, Arrhenius, Nernst, Mendeleïev) et l’électromagnétisme (Ørsted, Ampère, Faraday, Maxwell). Toutes ces recherches ne concernent pas directement la foudre mais contribuent tout de même à une meilleure compréhension théorique et pratique de l’électricité sous toutes ses formes jusqu’à l’ère industrielle (Edison, Tesla) et électronique d’aujourd’hui (Hertz, Braun).

Les Images Fulgurantes

Foudre Alexander McAdie En matière de foudre naturelle en revanche, on ne sait en fait toujours que peu de choses jusqu’à la fin du 19ème siècle. Les premières estimations de courant de foudre ne sont par exemple réalisées qu‘en 1900 en étudiant le magnétisme résiduel des roches où elle tombe (Pockels). Ce n’est que lorsque la photographie et la spectroscopie seront devenues des techniques de diagnostic, que la recherche fera de grands pas en avant. C’est l’époque des premiers chasseurs d’orages scrutant, photographiant, filmant et analysant la foudre pour en comprendre tous les secrets. En effet les chercheurs en Angleterre (Hoffert 1889), en Allemagne (Walter 1902 à 1918) et aux États-Unis (Larsen 1905) utilisent alors des techniques photographiques à différentes intervalles de temps fixés pour identifier les “arcs subséquents” individuels qui comprennent une décharge d'éclairs au sol et le processus de “traceurs” qui précède les premiers coups. L'invention de la caméra à balayage de fente en 1900 par Boys permet de filmer à très haute vitesse et sera utilisé dans de nombreux travaux dans les années 1930 et par la suite, permettant les avancées pionnières dans notre compréhension des principaux aspects descriptifs de la foudre (Malan). Nous leur devons pratiquement toute la description des apparences (phénoménologie) connue actuelle de la foudre classique.

L'Aube de la Modernité

Foudre fusée-fil L'ère moderne dans la recherche de la foudre peut être datée à Wilson en 1920 (inventeur également de la chambre à brouillard), qui réussit à estimer les structures de charge au sein d'un orage et à mesurer la charge impliquée dans la décharge d'une foudre. Dans les années 50, grâce aux améliorations de la spectroscopie, on quantifie pour la première fois les conditions physiques à l’intérieur et autour d’un canal de foudre. D’autres part les mesures de champs électromagnétiques générés par la foudre s’affinent considérablement grâce à des lâchés de ballons météorologiques directement dans les orages. Parmi les plus grands travaux jusque dans les années 70, on peut citer également ceux de Schonland qui photographie à grande vitesse la foudre en la corrélant précisément à des mesures de champ électrique et les recherches de Berger qui grâce à une tour instrumentée foudroyée, en mesure précisément les courants. Avant 1970 cependant, une grande partie de la motivation pratique pour la recherche de la foudre provenait de la nécessité de protéger adéquatement la distribution d'électricité et les lignes de transmission. Mais dans les années 60-70 c’est surtout au niveau de la compréhension des nuages orageux eux-mêmes (provoquant la foudre) et des tornades (1971 Fujita) que l’on fait le plus de progrès, notamment grâce à la multiplication des réseaux de radars de précipitations et doppler ainsi que du lancement des premiers satellites météorologiques (1959 Vanguard 2). En effet c’est durant cette période que l’on élabore la plupart des modèles conceptuels sur les orages et qui sont toujours utilisés aujourd’hui (voir mon dossier sur les structures orageuses).

La Foudre Obscure

farfadets rouges Après 1975 et jusqu'à maintenant, l'utilisation de la fusée-fil déclenché sur des orages naturels est devenue une technique répandue pour étudier divers aspects de la foudre. On bénéfice également de nouvelles techniques de prise de données et d'analyses et à partir des années 90 on rentre dans l'ère de la numérisation et de l'informatique des signaux électromagnétiques liés aux orages. Après 1990, la motivation dans l'étude de la foudre est surtout fourni par les dommages causés sur les avions, les engins spatiaux et aux installations sensibles au sol en raison de la vulnérabilité de l'électronique moderne (ordinateurs) aux émissions électromagnétiques engendrés par la foudre. Au niveau de la recherche théorique, c’est à partir des années 80-90 que l’on découvrira que le champ électrique mesuré lors d’un orage est trop faible pour engendrer la foudre telle que nous la connaissons. Aussi l’une des questions majeurs que se poseront tous les chercheurs durant ces années et encore jusqu’à aujourd’hui, sera de savoir ce qui amorce vraiment au départ le déclenchement de la foudre (voir l’article : Qu’est-ce qui déclenche la foudre ?), ainsi que ce qui permet aux traceurs de se propager sur d’aussi longues distances. D’autre part, il n’y a qu’à peine 20 ans, que l’on découvrait les phénomènes lumineux transitoire (TLE), tels que les farfadets rouges de divers types, les halos rouges, les démarreurs bleus, jets bleus, jets géants et elfes, qui se produisent dans l'air raréfié au-dessus du sommet des nuages et dont les chercheurs ne savent pas correctement expliquer encore aujourd’hui. Enfin cela ne fait qu’environ une dizaine d’années, qu’il a été découvert que les phénomènes de haute énergie, tels que les électrons runaways, les émissions de rayons X et de rayons gamma, y ​​compris les flashs de rayons gamma terrestres (TGF) observés sur les satellites en orbite, sont produits par des orages ​​et des éclairs. Aussi l’histoire de la foudre n’a pas fini de s’écrire et réserve encore bien des secrets dans le futur.

Bibliographie :
- C. Bouquegneau : Futura-Sciences : Foudre, tonnerre : ces dangers venus du ciel
- Top Chrétien : Dictionnaire de la Bible : Éclair
- Association Protection Foudre : Histoire
- Wikipédia : Histoire de l’Électricité
- Vladimir A. Rakov : Lightning: Physics and Effects
- Martin A. Uman : The Lightning Discharge