Qu’est-ce que la foudre ? Pourquoi y a-t-il des orages ?

Dans certaines conditions atmosphériques (humidité, chaleur, etc.), on assiste à la formation de nuages caractéristiques des conditions orageuses. Ces énormes masses nuageuses, généralement de type cumulo-nimbus (en forme d’enclume), sont constituées de gouttes d’eau à leur partie inférieure et de cristaux de glace à leur partie supérieure.

Sous l’effet de courants ascendants internes violents, une séparation des charges électriques de ces particules d’eau s’opère, qui aboutit à une concentration positive de la partie supérieure de ces nuages, tandis que leur base est chargée négativement. Parfois, une poche de charges positives est enserrée dans la base négative.

Lorsqu’un nuage orageux se forme au-dessus du sol, il constitue avec ce dernier un large dipôle. Sous l’influence des charges négatives de la base du nuage, le léger champ électrique atmosphérique existant en permanence au niveau du sol s’inverse, et augmente rapidement, pour atteindre des valeurs de 10 à 15 Kilo-Volts par mètre. Une décharge au sol est alors imminente.

La première phase du coup de foudre est une prédécharge, faiblement lumineuse (traceur descendant) se formant au sein du nuage, et progressant par bonds de quelques dizaines de mètres vers le sol.

Simultanément, le champ électrique atmosphérique au niveau du sol augmente en fonction de l’approche de ce traceur descendant. On assiste alors à la création spontanée à la pointe de toute aspérité (pylône, paratonnerre…) d’une ionisation naturelle, manifestée sous forme d’effluves électriques bleutées : c’est l’effet de pointe, ou effet Corona, observé par temps d’orage par les marins sous forme de «feux de St Elme», ou par les montagnards lors de l’apparition caractéristique du bruit des «abeilles».

Dès que le traceur descendant se rapproche du sol, I’ionisation due à l’effet couronne se renforce, particulièrement à la pointe des aspérités, jusqu’à se transformer en une décharge ascendante : c’est le traceur ascendant, qui se développe en direction du nuage.

Lorsqu’un de ces traceurs ascendants et le traceur descendant se rejoignent, un canal conducteur est créé et permet l’écoulement d’un courant de forte intensité : c’est la foudre, caractérisée par une lueur vive (I’éclair) et un bruit assourdissant (le tonnerre).

Le coup de foudre peut être formé de plusieurs décharges successives, séparées de quelques centièmes de secondes, empruntant le même canal fortement ionisé.

Existe-t-il plusieurs types de coups de foudre ?

Dans les zones de climat tempéré, la grande majorité (environ 90%) des éclairs sont de type descendants négatifs, puisque la base du nuage, chargée négativement, se décharge vers le sol.
Principalement en hiver, on assiste parfois au développement vers le sol d’un traceur descendant, issu d’une poche positive de la base du nuage : c’est alors un coup de foudre descendant positif.
A partir de certaines structures de grande hauteur (pic de montagne, pylône de télécommunication, immeuble élevé) il arrive parfois qu’un traceur ascendant progresse spontanément vers le nuage, lorsque les conditions de champ électrique le permettent ; le coup de foudre qui s’en suit est alors appelé ascendant.
Ces décharges, positives, ou plus rarement négatives, sont généralement plus intenses et donc plus destructrices que les coups de fpudre descendants.

Combien y a-t-il d’orages dans le monde ? Qu’est-ce que la densité de foudroiement ?

On estime à environ 32 millions de coups de foudre par an, soit 50 à 100 coups de foudre Nuage – Sol par seconde.
En 2016, les statistiques américaines évaluent les dommages dûs à la foudre à 825 millions USD pour les résidences privées et 108 millions pour des immeubles non résidentiels.
Au niveau mondial, des sites tels que http://www.struckbylightning.org/news/dispIncidentdb.cfm tiennent une base des données des incidents causés par ce phénomène météorologique dévastateur.
Ces dégâts sont particulièrement importants du fait des caractéristiques techniques des coups de foudre : le courant électrique généré par la foudre est très intense (plusieurs milliers d’ampères). En outre, sa forme d’onde avec un temps de montée très bref concoure à générer des tensions extrêmement importantes. Ainsi, la tension générée dans un conducteur en cuivre de 30 x 2mm (60mm²) d’une longueur de 50m atteindra jusqu’à 10 MégaVolts (arcs en retour selon les données normatives en Niveau I)
Le phénomène foudre ne frappe pas toutes les régions avec la même intensité. L’apparition de cumulo-nimbus générateurs d’orage repose sur de fortes variations de température entre le sol (chaud et humide) et les strates les plus élevées de l’atmosphère (froides). Le phénomène se concentre donc dans les zones tropicales et durant les périodes estivales pour les zones tempérées.
En 2017, les chercheurs ont établi que le site le plus foudroyé au monde se trouve au Venezuela, sur le la Maracaibo.

Le nombre d’orages augmente-t-il ?

Durant l’été 2018, la France a connu une forte augmentation du nombre d’orages et de coups de foudre (plus de 700 000).

Le 10 juin 2018, 77 000 éclairs ont été dénombrés en France. De Janvier à Septembre 2018, le territoire français n’a connu que 30 jours sans aucun impact de foudre

Des scientifiques ont publié dans la revue Nature une étude démontrant une relation entre le réchauffement climatique et la densité de foudroiement. Selon cette étude, 1°C de température moyenne supplémentaire se traduit par 10% d’orages en plus.

Une autre équipe a démontré a récemment mis en lumière un lien entre la densité de foudroiement et la pollution engendrée par l’intense trafic maritime dans le détroit de Malacca en Asie du Sud Est. Etudiant les 1,5 milliards de coups de foudre répertoriés entre 2006 et 2015 dans cette région et le trafic des navires, les chercheurs démontrent que la pollution de l’air entraine une intensification de l’activité orageuse. Une conséquence mal connue de l’activité humaine sur le climat.

Peut-on récupérer l’énergie de la foudre ?

La foudre représente une source d’énergie renouvelable intéressante notamment pour les pays émergents des zones tropicales qui sont très foudroyés.

Aujourd’hui, aucune solution de récupération n’a toutefois pu être proposée.

La première difficulté tient à la dispersion des éclairs qui touchent le sol. Une zone de 1 kilomètre-carré ne reçoit annuellement qu’entre 1 coup de foudre (en Europe par exemple) à une trentaine de coups de foudre par an pour les zones les plus foudroyées au monde

La seconde difficulté est la récupération d’un courant impulsionnel avec une onde très spécifique, difficile à stocker

Des études sont en cours pour tenter de canaliser le courant vers un point unique (notamment en utilisant des lasers). Aucun résultat probant n’a encore été proposé par la communauté scientifique.

Histoire de la protection foudre

1753 : Invention du paratonnerre par Benjamin FRANKLIN. Il est le premier à mettre en évidence la nature électrique de la foudre, grâce à l’expérience du «cerf-volant».
A la même époque, en France, DALIBARD confirme cette hypothèse à MARLY, avec son expérience de la tige métallique qui s’électrise par temps d’orage ;
Jacques de ROMAS arrive également à cette conclusion avec un cerf-volant, différent de celui de FRANKLIN, par le fait qu’un fil de cuivre est enroulé autour de la corde le reliant au sol.
Cette découverte engendre rapidement un engouement extraordinaire pour les paratonnerres ; on en installe d’abord sur quelques églises, puis assez rapidement sur des résidences particulières.

1880 : Un physicien belge, MELLSENS, préconise de protéger les édifices en les recouvrant de fils métalliques disposés à la surface du bâtiment, reliés à des pointes en toiture et à plusieurs prises de terre : c’est la naissance de la cage maillée.

1914 : Premiers essais d’amélioration d’un paratonnerre à tige simple par le Hongrois SZILLARD et le Français DOZERE. Ces travaux donneront naissance à des paratonnerres radiactifs, utilisant des sources radioactives pour maintenir une ionisation permanente autour de la pointe caprice

1985 : Pour des raisons de sécurité publique, la fabrication et l’installation de paratonnerres radioactifs sont interdites.
Après plusieurs années de recherche et grâce à une meilleure connaissance des phénomènes physiques de la foudre, une nouvelle voie est ouverte : elle conduit à renforcer l’ionisation à proximité de la pointe grâce à un dispositif électrique, autonome de toute source d’énergie. Cette nouvelle technologie est nommée « Paratonnerre à Dispositif d’Amorçage »

1995 : Publication de la norme française NF C 17 102 relative à la protection contre la foudre utilisant des Paratonnerres à Dispositif d’Amorçage. Cette norme sera ensuite révisée et traduite dans plus d’une vingtaine de pays qui adopteront également une norme spécifique pour la protection par paratonnerres à dispositif d’amorçage, notamment en Espagne (UNE 21 186), au Portugal (NP 4426), en Roumanie (I7), en Argentine (IRAM 2426), Turkey, Angola, etc…

2015 : L’organisation américaine de certification UL (Underwriter Laboratories) propose la certification des Paratonnerres à Dispositif d’Amorçage et la délivrance de certificats de conformité des installations à la norme NF C 17 102.

2016 : L’association « International Lightning Protection Association » (www.intlpa.org) recense sur son site plus de 680 000 installations de paratonnerres à dispositif d’amorçage dans le monde.

Comment se protéger contre la foudre ?

• Se réfugier de préférence dans un immeuble ou une voiture
• Ne pas tenir d’objets métalliques (parapluies etc…)
• Ne pas se servir d’équipements reliés au réseau électrique
• Ne pas se réfugier sous un arbre ou une cavité en montage (grotte, surplomb…)
• La position de sécurité recommandée est la position accroupie, avec les deux pieds au sol, en restant immobile.

Comment protéger un bâtiment contre la foudre ?

• Un système de protection contre la foudre est composé de quatre éléments
• La protection directe ou paratonnerre pour capter la foudre et évacuer le courant dans la terre
• La protection indirecte ou parafoudres qui sont destinés à protéger les équipements électriques contre les surtensions transitoires dues à la foudre.
• La mise en équipotentialité par raccordement de toutes les prises de terre d’un même site,
• L’interconnexion de toutes les masses métalliques situées à proximité d’équipements sensibles est indispensable pour une bonne protection foudre.

Quels sont les systèmes de protection contre la foudre ? Qu’est-ce qu’un paratonnerre ?

Il existe 4 types de paratonnerres :
• le paratonnerre à dispositif d’amorçage existe depuis 1985
• le paratonnerre à tige simple est issu des découvertes de Benjamin Franklin au 18ème siècle
• le paratonnerre à cage maillée est un système complexe basé sur les travaux de Faraday et de Mellsens au 19ème siècle
• le paratonnerre à fils tendus est très largement utilisé pour la protection des lignes électriques aériennes : c’est le câble métallique fixé au-dessus des câbles conducteurs

Comment installer un paratonnerre ?

• Il faut au préalable conduire une analyse du risque foudre, qui déterminera si un système de protection est nécessaire et quel est le niveau de protection requis.
• Ces études sont proposées par des Bureaux d’Etudes spécialisés qui sont certifiés Qualifoudre en France
• Une Etude Technique détermine ensuite le nombre et l’emplacement du ou des paratonnerre(s)
• Le paratonnerre doit être installé sur le point le plus élevé du bâtiment.
• Le paratonnerre doit ensuite être relié à la prise de terre, par un minimum de deux câbles métalliques.
• Chaque prise de terre doit être mesurée avec un appareil spécifique (ohmètre)
• La résistance de la prise de terre doit être inférieure à 10 ohms
• Les deux prises de terre doivent être reliées par un câble souterrain (ceinturage)
• Le système de protection foudre peut être complété par un compteur de coup de foudre qui permettra de savoir combien de fois le paratonnerre a été foudroyé.