La foudre — redoutable force de la nature

L’UNE des manifestations les plus impressionnantes de la nature est certainement la foudre. Tout le monde sait ce qu’est un orage et chacun a déjà observé une pluie torrentielle accompagnée d’éclairs fulgurants et de coups de tonnerre assourdissants. Entre deux éclairs les gens sont souvent mal à l’aise, inquiets.

Aimeriez-​vous en savoir plus sur ce phénomène météorologique mystérieux? Quelle peut bien être la source des forces considérables qui se manifestent pendant un orage? Puisque l’éclair est un phénomène électrique qui se déroule dans l’atmosphère, il nous faut connaître les propriétés électriques de l’air si nous voulons comprendre d’où vient la foudre.

L’électricité atmosphérique

Bien que nous n’en soyons pas toujours conscients, notre atmosphère est chargée d’électricité. Cette charge électrique est considérable puisque, par beau temps, la différence de potentiel qui s’établit entre l’air (positif) et le sol atteint 150 volts par mètre, et elle augmente en fonction de l’altitude.

Ceci veut dire que si nous sommes en plein air, éloignés de toute construction et de tout arbre, il y a une différence de potentiel de 250 volts entre le sol et l’air qui se trouve à hauteur de notre tête. Pourquoi n’en sommes-​nous pas conscients et ne voyons-​nous pas la moindre étincelle alors qu’avec une tension pareille, et si l’intensité était suffisante, nous pourrions être électrocutés? Cela s’explique parce que l’air est un excellent isolant. De plus, notre peau est assez bonne conductrice, ce qui permet au potentiel cutané de rester toujours égal. Il faut des appareils très sensibles et parfaitement isolés pour arriver à mesurer des différences de potentiel dans l’air.

Si cette différence de potentiel continuait de s’accroître avec l’altitude, la tension serait de l’ordre de 15 000 volts à une centaine de mètres de hauteur. Or, il y a tout de même une limite à ce phénomène, car, à une certaine altitude, plus précisément au-dessus de la stratosphère, l’air devient conducteur. D’où vient cette différence de conductibilité électrique par rapport à l’air au niveau du sol? La raison en est qu’en altitude, il se passe un phénomène que l’on appelle ionisation.

En effet, d’ordinaire, les molécules d’oxygène et d’azote qui composent l’air sont électriquement neutres, c’est-à-dire que la charge positive de chaque noyau d’atome est neutralisée par les charges négatives des électrons qui l’entourent. Mais si un électron quitte son orbite, la molécule devient positive, elle est ionisée. On dit qu’elle devient un ion.

Plusieurs causes peuvent provoquer cette ionisation, mais la principale est certainement le bombardement de rayons cosmiques qui frappent les couches inférieures de l’atmosphère quand il fait beau. Des particules chargées d’énergie percutent les molécules de l’air atmosphérique avec une force telle que certains électrons sont arrachés. La molécule est alors ionisée positivement. Les électrons détachés vont se fixer sur d’autres molécules qu’ils chargent négativement. Celles-ci deviennent des ions négatifs. À cinquante kilomètres d’altitude, il se forme suffisamment d’ions pour que l’air devienne conducteur.

Cette couche conductrice de l’air s’appelle électrosphère. On la confond souvent avec l’ionosphère, mais cette dernière désigne plutôt les couches situées à une centaine de kilomètres d’altitude, celles qui réfléchissent les ondes hertziennes.

Or, il se trouve que le sol est également conducteur. Le courant se transmet par les ions dissous dans les eaux. En effet, dans l’eau, toute substance minérale se dissout sous forme ionisée. Ainsi, la molécule de sel de cuisine donne un ion chlore négatif et un ion sodium positif, le gypse donne un ion sulfate et un ion calcium, etc. Toutes les eaux contiennent des particules minérales en solution et même la terre “sèche” possède un certain degré d’humidité. Certes, prise isolément, une parcelle de terre ne produit pas un courant puissant. Mais, à l’échelle du globe, l’ensemble de la croûte terrestre constitue un excellent conducteur.

Les diverses parties d’un conducteur doivent avoir la même charge électrostatique. Si la différence de potentiel s’élève en un certain endroit, il va s’établir un courant électrique qui circulera vers d’autres endroits dont la charge est moindre, jusqu’à ce que l’équilibre soit rétabli. Cette règle s’applique aussi bien à la terre qu’à l’électrosphère. Cependant, l’atmosphère située entre le sol et l’électrosphère est non conductrice, de sorte que l’on se trouve en présence d’une sorte d’énorme condensateur électrique dont l’un des plateaux, chargé positivement, serait l’électrosphère, et l’autre, chargé négativement, la terre. La différence de potentiel qui s’établit entre ces deux plateaux est de l’ordre de 300 000 volts, mais ce chiffre n’est qu’une moyenne sujette à des variations horaires et saisonnières.

Toutefois, il n’existe aucun isolant vraiment parfait. Quand on se sert d’instruments très sensibles, on remarque que, même dans l’air qui nous entoure, un léger courant électrique circule, engendré par des rayons cosmiques qui traversent l’atmosphère avant d’être absorbés par le sol. Il s’ensuit que la terre reçoit des électrons en trop, et ces derniers se rassemblent à certains endroits privilégiés d’où ils regagnent l’air. Ces endroits sont le sommet des arbres, l’extrémité des brins d’herbe et même les angles des grains de sable. De même, puisque les édifices bâtis par l’homme s’élèvent dans l’air, leur champ électrique se concentre autour des angles et du sommet de leur toit. C’est là que se font les échanges électriques. À l’échelle de la terre, la somme de ces décharges infimes atteint des proportions telles que la terre pourrait se décharger entièrement dans l’électrosphère en moins d’une heure. Il doit donc exister un système de compensation qui recharge la terre et lui conserve son excès d’électrons. C’est là que la foudre intervient.

Un chargeur naturel

Dans le ciel, les nuages ont des formes très diverses. La plupart d’entre eux sont plats et horizontaux, mais les plus intéressants à regarder sont les cumulus, à cause de leur forme arrondie qui change sans cesse. Quand il fait le temps approprié, le cumulus se gonfle de vapeur d’eau, s’élève à plusieurs kilomètres de hauteur et s’élargit de plus en plus à la base. Il devient alors un cumulo-nimbus, cet amas de gros nuages sombres qui précèdent l’orage. Quand il a atteint sa pleine croissance, son sommet prend une forme conique. Ce nuage est beau à voir, de loin, mais si l’on est dessous, il est sombre et menaçant, et il ne se passe pas longtemps avant qu’il n’arrose le sol de pluie ou de grêle.

De ce type de nuage viennent les éclairs et les coups de tonnerre. On les voit flotter dans l’air, entre huit et dix-huit kilomètres de hauteur, comme une énorme centrale électrique qui aurait une surface de 3 000 kilomètres carrés. À l’intérieur du nuage de violents courants ascendants et descendants emportent avec eux des gouttelettes d’eau et des cristaux de glace à des vitesses allant de 40 à 100 kilomètres à l’heure. Une infinité de gouttelettes de pluie, de cristaux de glace, de particules de grésil et de petits grêlons montent et descendent à mesure que le nuage change de forme, tournoie, grossit et fait des volutes.

D’un autre côté, la gravité exerce en permanence son attraction sur l’eau et la glace, de sorte que les frottements qui résultent de tout ce mouvement arrachent des électrons et ionisent l’air, l’eau et la glace. Dans leur violence, les vents emportent de tous côtés les particules chargées électriquement. Les charges positives finissent par s’accumuler au sommet du nuage et les gouttes de pluie chargées négativement se rassemblent à la base. À mesure que le nuage grossit, le potentiel qui existe entre sa base et son sommet s’accroît, jusqu’à ce que finalement “les coutures craquent” en quelque sorte, et que le nuage cherche par tous les moyens à se décharger des centaines de millions de volts qu’il a accumulés. Bien que ses propriétés isolantes permettent à l’air de supporter des tensions élevées, il y a des limites qui, lorsqu’elles sont atteintes, donnent un phénomène spectaculaire, la foudre, qui a pour fonction de ramener la situation à la normale.

On évalue à 3 000 le nombre d’orages qui éclatent simultanément et en permanence sur notre globe, pour la plupart au-dessus des continents.

La majorité des éclairs apparaissent dans le nuage lui-​même. Mais les charges négatives qui s’accumulent dans la base du nuage finissent par avoir une tension électrique bien supérieure à celle de la terre, ce qui aboutit à un éclair qui va permettre à la foudre d’apporter des électrons au sol de la terre. Lorsque le nuage se dissipe, la charge positive qui s’accumulait à son sommet part dans l’électrosphère. Puis, par beau temps, les ions positifs passent de l’atmosphère à la terre et neutralisent sa charge négative. En retour, les ions négatifs grimpent dans l’électrosphère pour rétablir l’équilibre, et le cycle s’achève ainsi.

Comment la foudre apparaît

Il est difficile d’étudier ce qui se passe à l’intérieur d’un nuage, car ce n’est pas l’endroit rêvé pour un physicien entouré de ses instruments fragiles. Par contre, on a pu photographier les éclairs qui tombaient sur le sol, à l’aide de chambres photographiques à objectifs tournants, ce qui a permis aux savants de s’instruire sur les mécanismes qui aboutissent à l’éclair. Voici comment on peut les résumer:

À la suite d’études entreprises en laboratoire sur la tension de dissociation de l’air, on sait qu’il faut un champ électrique de près de trois millions de volts par mètre pour qu’un éclair apparaisse. Il se passe alors le phénomène suivant: Soumis à une tension si forte, les électrons libérés par les rayons cosmiques peuvent percuter à leur tour les électrons des molécules neutres. Des électrons sont éjectés et frappent d’autres molécules qu’ils transforment en ions en arrachant d’autres électrons, et il s’ensuit une véritable avalanche d’électrons qui quittent la partie négative du nuage en laissant des ions positifs dans leur sillage. Par conséquent, l’air devient plus conducteur par endroits, ce qui aide la foudre à se frayer un chemin à travers les couches non conductrices.

Des appareils enregistreurs dont la rapidité permet de décomposer un mouvement en unités de quelques microsecondes montrent que le phénomène se déroule par étapes. La première décharge éclate à l’endroit du nuage où l’air est provisoirement plus conducteur, et le flux d’électrons avance d’une cinquantaine de mètres. Puis, “à bout de souffle”, pour ainsi dire, le flux s’arrête pendant que la tension qui règne à son extrémité augmente. Quelque cinquante microsecondes plus tard, il repart, prenant volontiers une nouvelle direction, selon la conductibilité de l’air ionisé à cet endroit de l’espace. Ainsi, de proche en proche, la foudre se fraie un chemin d’air fortement ionisé, large de un à dix mètres, et finit par gagner la terre.

Comme l’ionisation de l’air n’est pas uniforme, il s’ensuit que la trajectoire de la foudre est sinueuse, pour lui permettre de profiter de la moindre variation de conductibilité de l’air. Cela explique pourquoi l’éclair a cette forme en zigzag qui nous est familière. La foudre prend une direction, cherche sa route et choisit toujours le chemin qui la mènera le plus facilement à la terre. Lorsqu’elle n’est plus qu’à cinquante mètres de son but, une aigrette lumineuse part à sa rencontre depuis la terre et ferme le circuit: le nuage a maintenant trouvé une voie de sortie pour ses électrons en trop.

Grâce à ce circuit, les électrons situés le plus près du sol gagnent la terre, suivis immédiatement par les électrons qui étaient au-dessus d’eux. Il se produit ensuite un choc en retour, très lumineux, qui frappe le nuage à une vitesse voisine de celle de la lumière, et, s’il a fallu 20 000 microsecondes à la foudre pour atteindre le sol, il n’en faut que 70 au choc en retour pour frapper le nuage. Alors, pendant une quarantaine de microsecondes, le nuage débite un courant dont l’intensité atteint dix mille à vingt mille ampères, voire plus. Pendant ce court instant, la puissance libérée atteint plusieurs milliers de mégawatts, soit plus que toutes les centrales électriques de la terre réunies. Ce déploiement de forces extraordinaire ne manque pas d’impressionner.

Puis la décharge cesse subitement, sans mettre pour autant un terme au phénomène, car la colonne d’air fortement ionisée laissée par la foudre est toujours là. D’autres parties du nuage encore chargées électriquement envoient des éclairs vers celle qui vient de se décharger et empruntent la même voie pour gagner la terre. Il y a souvent trois ou quatre éclairs successifs, mais ils se suivent de si près que l’œil n’en enregistre qu’un. Il faut quelquefois plus d’une dizaine d’éclairs pour qu’un nuage libère complètement ses charges électriques.

Puis, en deux dixièmes de seconde, la foudre s’arrête. Et c’est le tonnerre: d’abord un craquement, puis un roulement ou un grondement fracassant; cela dépend où l’on est situé. Dans le sillage laissé par l’éclair, la colonne d’air étroite et sinueuse de quelques centimètres de diamètre est chauffée à plus de 30 000 degrés. Dès que le courant cesse de passer, cette colonne d’air surchauffée se dilate brusquement et explose à une vitesse supersonique. Il en résulte une onde de choc, le tonnerre, que l’on entend jusqu’à 25 kilomètres.

Peut-être vous demandez-​vous pourquoi le Créateur a conçu ce phénomène. D’ailleurs, est-​il seulement utile? Certainement, car il joue un rôle essentiel dans le cycle naturel de l’azote, ce corps chimique indispensable à la vie et qui abonde dans l’air. L’homme ne peut pas l’utiliser directement, mais, après un éclair, la chaleur fragmente les molécules d’oxygène et d’azote en atomes qui, en refroidissant, se combinent pour former des nitrites. Sous l’action de la pluie ces nitrites pénètrent dans le sol et s’oxydent en nitrates, engrais indispensables à la croissance des plantes. C’est le principal procédé naturel de fixation de l’azote. On pense qu’il se fabrique chaque année des centaines de millions de tonnes de nitrates par ce moyen.

La foudre et votre sécurité

L’appréhension naturelle que l’on éprouve quand la foudre tombe près de nous est tout à fait justifiée. En effet, elle provoque des dégâts considérables, fait voler en éclats les arbres et les poteaux télégraphiques, perce des trous dans la couverture des toits ou dans les murs et incendie les forêts et les bâtiments. Quand elle tombe sur un arbre, il n’est pas rare que la chaleur engendrée par la décharge électrique soit si intense qu’elle volatilise instantanément l’eau qui s’y trouve. Cette surchauffe de la vapeur d’eau fait voler le bois en éclats.

Il est certain que la foudre peut tuer, et bien des animaux se sont fait électrocuter en voulant se réfugier sous un arbre pendant un orage. Les humains risquent la même chose, particulièrement sur les plages ou sur les terrains de golf, car le peu d’arbres qui s’y trouvent offrent une cible facile à la foudre. Aussi, pendant un orage, ne cherchez jamais abri sous un arbre isolé. Si vous êtes dans les bois, éloignez-​vous des grands arbres et évitez les clôtures en fil de fer, les conduites en métal et les voies ferrées. De même, vous serez plus en sécurité dans une vallée qu’au sommet d’une colline.

S’il y a souvent des orages dans votre région, il serait peut-être sage d’installer un paratonnerre. Pour qu’il protège efficacement votre maison, il doit être soigneusement relié à la terre. Des pointes métalliques reliées par un gros fil conducteur isolé du bâtiment à un câble ou à une plaque métallique enfouis profondément peuvent recevoir la foudre et la conduire sans dommage jusqu’à la terre. On peut aussi protéger les lignes électriques et les antennes de télévision qui aboutissent à son domicile en installant un parafoudre.

Si l’orage vous surprend au volant de votre voiture ou en train, vous ne risquez rien, car la carrosserie diffusera le courant et le conduira directement au sol. Les occupants d’un avion sont eux aussi en sécurité. Il n’est pas rare que la foudre frappe un avion, mais il s’en tire généralement sans dommage avec tout au plus quelques petits trous dans le fuselage. D’ailleurs, on ne connaît pas de cas où la foudre serait responsable d’un accident d’avion. Par contre, les turbulences engendrées par l’orage présentent un danger sérieux dont tout pilote avisé doit être conscient.

Si vous prenez toutes les précautions, vous resterez détendu la prochaine fois que vous serez surpris par l’orage et vous en profiterez pour admirer la puissance du Créateur. Le peu que nous savons sur la foudre devrait forcer notre admiration lorsque nous voyons se manifester cette redoutable force de la nature.

[Tableau, page 20]

Caractéristiques d’un éclair normal

Longueur: 5 kilomètres

Nombre d’éclairs réels: 3 ou 4

Intensité maximale du courant: 20 000 ampères

Différence de potentiel: 100 millions de volts

Puissance maximale libérée: 2 milliards de kilowatts

Durée: 2/10 de seconde

[Schéma, page 17]

(Voir la publication)

LES ÉCHANGES ÉLECTRIQUES ENTRE L’AIR ET LA TERRE

ÉCOULEMENT DES ÉLECTRONS

CYCLE NATUREL

CHARGES POSITIVES (MANQUE D’ÉLECTRONS)

CHARGES NÉGATIVES (ÉLECTRONS EN EXCÈS)

FOUDRE

ÉCOULEMENT DES ÉLECTRONS PAR BEAU TEMPS

CHARGES LÉGÈREMENT POSITIVES (ÉLECTRONS REPOUSSÉS PAR LES NUAGES)

CHARGES LÉGÈREMENT NÉGATIVES (ÉLECTRONS EN EXCÈS)