Les éclairs - Cours météo

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Les cours de météorologie générale proposés par Météo-Contact ont pour but d'apporter des notions de base sur différents thèmes comme la pression atmosphérique, le vent, la pluie, les nuages, les cyclones et bien d'autres sujets liés à la météo...

De nouveaux cours viendront agrémenter cette rubrique au fur et à mesure du temps. En cas de questions, n'hésitez pas à nous contacter via notre interface de contact.

 

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La foudre est un phénomène météorologique qui est un des plus extrêmes qu’il soit. Son objectif premier est de rétablir un certain équilibre électrostatique dans un environnement polarisé par les mouvements verticaux des particules en suspension.

Chaque année, la France est foudroyée des centaines de milliers de fois, avec une densité de foudroiement plus ou moins grande selon les régions. Cependant, il y a beaucoup plus d’éclairs que d’impacts recensés.

La distinction se doit d’être faite entre foudre et éclair. L’éclair est une décharge électrostatique au sein d’un environnement polarisé, sans contact avec le sol. La foudre est le cas particulier où l’éclair frappe le sol. C’est pourquoi il n’y a « que » des centaines de milliers d’impacts de foudre en France par an alors que le nombre d’éclairs – foudre incluse – peut probablement être multiplié par cinq !

 

 

 

1 | Formation et caractéristiques des éclairs

 

► A - Contexte de l’éclair : la polarisation de l’environnement

 

A l’origine de chaque éclair se trouve une importante différence de potentiel électrique. Pour faire simple, la différence de potentiel électrique est l’énergie qu’aurait l’éclair s’il venait à se manifester. Cette différence de potentiel est initiée par deux mécanismes majeurs. La gravitation et la convection.

La convection au sein du cumulonimbus provoque l’ascendance de nombreuses particules d’air, d’eau ou encore de poussières en provenance du sol vers le sommet de la troposphère et la subsidence de nombreuses autres particules du même genre ainsi que d’hydrométéores, plus ou moins importants tels que des gouttes d’eau ou des particules de glace, voire des grêlons.

Ces particules, en fonction de leur vitesse, de leur masse, de leur direction se collisionnent, se croisent, fusionnent parfois et s’échangent des électrons, particules élémentaires chargées négativement. Puis la gravitation intervient dans la répartition des charges. Les gros hydrométéores du nuage – gouttes de pluie, grêlons et grains de grésil – lorsqu’ils entrent en contact voire en collision avec des cristaux de glace dont la température est inférieure à -15°C, se chargent négativement. A contrario, si la température des cristaux est supérieure à -15°C, alors les gros hydrométéores se chargent positivement. C’est un cas de figure assez minoritaire car une grande partie du nuage voit sa température être inférieure à -15°C.

Ces cristaux et hydrométéores électriquement chargés, ils sont transportés au gré des courants au sein du nuage. Cependant, leur masse fait qu’ils s’accumuleront plus ou moins dans certaines parties du nuage, les cristaux – chargés majoritairement positivement - étant légers et volatiles, ils s’accumuleront dans la partie haute du nuage alors que les gouttes de pluie et grêlons – chargés majoritairement négativement - plus massifs, s’accumuleront à la base du nuage.

Cependant, la gravitation et la convection ne sont pas seules à entrer en jeu. De nombreux ions sont présents dans la troposphère et sont pour beaucoup captés par les gouttelettes d’eau, à leur tour captées par l’orage. Ces ions sont majoritairement d’origine naturelle, lorsque les rayons cosmiques frappent le haut de la troposphère et parfois d’origine « artificielle », lorsque le potentiel des installations humaines pointues est suffisant pour exciter les électrons avoisinants, ces électrons entrent en contact avec les électrons d’atomes voisins. Ces électrons sont à leur tour excités et vont entrer en contact avec les électrons d’autres atomes voisins et ainsi de suite. Cela aboutit à la formation d’ions positifs par « avalanche électronique » due à une « Décharge Corana ».

 

 

► B - La décharge électrostatique

 

Une fois que la différence de potentiel électrique suffisante, la décharge électrostatique – l’éclair – peut se manifester. Pour être précis, l’éclair se manifeste à l’instant où la limite diélectrique de l’air est atteinte. Cette limite représente la valeur maximale du champ électrique que peut supporter l’air avant qu’un arc électrique se produise, c’est-à-dire la limite à partir de laquelle l’air passe d’un état isolant à un état de conducteur électrique. Cette limite varie en fonction de beaucoup de facteurs, la température et l’humidité entre autres.

Dans le cas général, l’éclair à proprement parlé est précédé de précurseurs. Ce sont de petites décharges peu intenses dont la progression dans l’air se fait par bonds successifs proportionnels à l’intensité de la décharge. Le précurseur une fois initié, la première « branche » cherche à se déplacer vers une couche de charges opposées, avant qu’une deuxième « branche » prenne le relais et ainsi de suite. Ces traceurs ont une vitesse de progression avoisinant les 200 km/s avec des bonds de quelques dizaines de mètres chacun.

Si un traceur vient à se retrouver dans une couche de polarité opposée, alors l’éclair peut se manifester.

Parallèlement à cela, si l’éclair se dirige vers le sol, de petites décharges sont provoquées au niveau du sol lorsqu’un précurseur s’en rapproche. Ce sont des charges ascendantes et de moindre taille qui rejoignent rapidement la pointe du précurseur la plus proche.

Cependant, l’éclair ne se produit réellement que lorsque qu’un précurseur et un traceur se rencontrent. La polarité de l’éclair sera quant à elle déterminée par la charge transportée.

Le traceur et le précurseur, lorsqu’ils se rencontrent, provoquent un arc électrique de grande ampleur suivant le tracé des deux décharges. Cet arc est la conséquence du courant de forte intensité avec lequel transitent les charges. L’air, sous l’effet du courant, se transforme en plasma incandescent dont la température atteint les 30 000°C, soit cinq à six fois la température de la surface du Soleil ! Ce plasma prend la forme d’un cylindre de quelques centimètres de diamètre et d’une longueur de quelques dizaines de mètres à plusieurs dizaines voire centaines de kilomètres. C’est l’éclair.

 

 

 

► C - Après l’éclair, le tonnerre !

 

Le tonnerre, qu’on l’entende rouler, gronder ou même claquer est une conséquence directe de l’éclair.

Comme dit ci-dessus, l’air qui conduit la décharge électrique passe de l’état gazeux au quatrième état de la matière, le plasma. Le plasma est en quelque sorte une soupe de particules – électrons, noyaux d’atomes – désorganisée et très chaude. Lorsque l’éclair touche à sa fin, cette soupe de particules se réorganise et surtout retourne à l’état gazeux. Le passage de l’air du plasma au gaz implique une très grande et brusque détente. Cela crée une onde de choc qui se propage dans l’air tel un son classique : c’est le tonnerre.

Le tonnerre est audible sous différentes formes selon la distance entre l’observateur, le point d’impact mais aussi l’environnement entre les deux. Lorsque le tonnerre claque, c’est que le point d’impact est proche car cela indique que l’onde de choc est encore très « pure ». A contrario, lorsque le tonnerre roule, c’est que l’impact s’est produit à une distance plus importante. L’onde de choc est alors perçue comme une succession de bruits sourds qui ne sont autres que l’onde de choc elle-même ainsi que la réflexion d’une partie d’elle-même sur l’environnement – en montagne par exemple, lorsque l’onde de choc rencontre un versant, elle est en partie réfléchie et se dirige donc vers un point potentiellement déjà atteint par l’onde de choc originelle avec un différé plus ou moins marqué.

 

 

► D - Encore beaucoup d’incertitudes

 

Aujourd’hui, les éclairs sont de mieux en mieux connus par la science mais beaucoup de leurs aspects restent encore mystérieux. De nombreuses recherches sont en cours. Des avions vont au cœur des orages prendre des mesures, le réseau de détection est toujours plus perfectionné, des organismes sont dédiés aux orages et à la recherche sur la foudre.

Le modèle conceptuel présenté ci-dessus et dans la suite du cours est très probablement imprécis voire approximatif. Un autre modèle tend aujourd’hui à faire sa place dans la communauté scientifique. Ce modèle dit qu’il n’y aurait pas seulement trois couches électrostatiques majeures dans l’environnement orageux mais plutôt une dizaine. Ce modèle semble se confirmer car des séries de mesures vont en ce sens mais il reste encore de nombreux points à éclaircir.

 

 

2 | Différents éclairs

 

Les éclairs, bien que similaires dans leur principe, peuvent être divisés en quatre grandes familles, en fonction de leur parcours spatial. Ces quatre grandes familles sont les suivantes : les éclairs intranuageux, internuageux, extranuageux et nuage-sol.

Point important, tous les éclairs « relient » deux points de polarités opposées. Le haut du nuage est chargé positivement alors que la majeure partie médiane et basse est chargée négativement. Souvent, une partie assez restreinte de la base du nuage est chargée positivement, tout comme la surface terrestre. La proximité de ces zones de charges permet l’éclair.

 

 

► A - L’éclair intranuageux

 

L’éclair intranuageux se produit au sein du cumulonimbus, généralement entre les parties supérieures et médianes de la structure. Le jour, ils ne sont que peu voire pas perceptibles, ils sont cependant trahis par un tonnerre sourd. En revanche, la nuit, ils illuminent le nuage de l’intérieur, rendant les cumulonimbus souvent très esthétiques.

Ce type d’éclair représenterait les trois quarts des éclairs qui se produisent sur Terre et est le premier type d’éclair à se manifester une fois la polarisation de l’orage effectuée. Il précède souvent d’un quart d’heure le premier éclair nuage-sol.

 

Cliché typique et caractéristique d'un éclair intranuageux.

 

 

► B - L’éclair internuageux

 

L’éclair internuageux se manifeste entre deux cumulonimbus. Il fait un « pont » entre la partie chargée positivement d’un système et la partie chargée négativement d’un autre système. Il se manifeste le plus souvent lors de dégradations orageuses durant lesquelles des systèmes orageux complexes se mettent en place – système multicellulaire, MSC, MCC. La longueur d’un tel éclair peut atteindre voire excéder 20km !

 

Eclair internuageux

 

 

► C - L’éclair extranuageux

 

La grande particularité de l’éclair extranuageux est sa partielle sortie du nuage. Souvent, on observe la sortie de l’éclair aux alentours de la mi-hauteur du nuage, bien que cela puisse se produire ailleurs.

Dans certains cas, l’éclair en provenance du nuage semblera s’évanouir dans l’air, l’arc électrique semble n’aller nulle part. Dans d’autres cas, l’arc électrique trouvera le chemin du sol et sera alors un éclair nuage-sol extranuageux.

Il arrive également qu’un éclair se produise entre la région positive de la base du nuage et la région négative. Cet éclair semble alors sortir du nuage pour y retourner rapidement, par la base.

 

Eclair extranuageux

 

 

► D - L’éclair nuage-sol ou coup de foudre

 

L’éclair nuage­-sol, ou le coup de foudre, est sans nul doute le plus convoité par les chasseurs d’orage car le plus proche de nous. C’est le seul que l’Homme puisse observer à sa hauteur. C’est aussi le plus puissant et le plus dangereux pour nous.

La polarité exprimée – positif ou négatif – correspond à la polarité de la charge transportée vers le sol par l’arc électrique. Le sens de propagation est lui déterminé par le traceur à l’initiative de l’éclair.

 

 

• 1.Impact ascendant positif

 

Ce type d’éclair se fait rare relativement aux autres. Il est provoqué par un traceur ascendant en provenance d’une aspérité pointue pointée vers le ciel – antenne, tour, montagne. Cette aspérité permet l’accumulation d’ions, accumulation susceptible de déclencher le traceur, provoquant par la suite l’éclair.

Il survient lors de la fin de vie de l’orage, lorsque les charges négatives sont bien présentes au sol – étant portées par les hydrométéores, elles finissent pour beaucoup au niveau sol. De plus, lors de la fin de vie de l’orage, les charges positives du haut du cumulonimbus perdent en altitude.

Visuellement, ces éclairs sont généralement peu ramifiés. Ils présentent une forme relativement régulière et, si ramification il y a, elles pointent vers le haut. De plus, ils sont extrêmement lumineux car puissants.  

 

 

• 2.Impact ascendant négatif

 

Tout comme les impacts ascendants positifs, les impacts ascendants négatifs requièrent une grande et haute aspérité afin de concentrer les charges. Le sol présente alors une charge de polarité positive. L’aspérité en question doit pouvoir faire émerger un traceur capable d’atteindre la partie médiane du nuage, c’est pourquoi seules les montagnes et plus hautes tours peuvent provoquer un tel traceur.

Visuellement, ces impacts ont un aspect similaire aux ascendants négatifs. Ils peuvent survenir lorsque l’orage est mature, jusqu’à sa phase de décroissance.

 

Foudre ascendante

 

 

• 3.Impact descendant positif

 

L’impact descendant positif se produit dans deux cas de figure. Soit la différence de potentiel entre le sol et la partie haute du nuage est très grande, soit l’enclume du nuage elle-même est basse ou alors ses composantes ont perdu en altitude.

Ces deux cas de figure facilitent la création d’un traceur descendant depuis la partie chargée positivement du nuage vers le sol. Une des caractéristiques des impacts positifs est la présence de traceurs descendants qui émergent des nuages juste avant l’impact. Ces impacts sont aussi généralement plus puissants que les impacts descendants négatifs, largement majoritaires dans nos contrées.

Ils ont un aspect très lumineux et leurs ramifications pointent vers le bas. Parfois, certaines ramifications n’atteignent pas le sol et semblent sortir de la base du nuage pour s’évanouir.

 

 

• 4.Impact descendant négatif

 

Ces impacts sont le résultat de la rencontre d’un traceur descendant négatif et d’un traceur ascendant négatif à basse altitude – quelques dizaines ou centaines de mètres au-dessus du sol. Ils sont très brefs mais représentent environ 90% des impacts du pays.

Ce sont ces éclairs que nous avons l’habitude de voir dans nos contrées. Ils sont généralement brefs et ne sont pas des plus puissants.

 

Coup de foudre descendant

 

 

► E - Différentes couleurs

 

Les éclairs peuvent prendre différentes couleurs selon la composition de l’air environnant. L’éclair blanc signifie que l’air est sec, l’éclair violet voire rouge qu’il y a de la pluie, l’éclair bleu de la grêle et l’éclair jaune de la poussière ou du sable en suspension.

 

Des éclairs hauts en couleurs !