ORAGES

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Le coup de foudre

Considéré comme le géant des nuages, le cumulo-nimbus se différencie aussi de tous les autres nuages par les phénomènes électriques qui l'animent. En son sein, une partie des particules d'eau se congèlent quand elles atteignent une altitude supérieure à celle de l'isotherme 0 0C. Le cumulo-nimbus est ainsi formé, selon l'altitude, de particules d'eau et de cristaux de glace. En raison de leur masse plus faible, les particules de glace, plus fines, atteignent le sommet du nuage portées par les courants ascendants, alors que les gouttelettes plus grosses et les plus lourdes se maintiennent à proximité de sa base. Du fait des mouvements verticaux violents, les chocs entre les cristaux de glace arrachent des électrons et chargent donc positivement ces particules sommitales. En revanche, à la base, les gouttelettes sont chargées négativement. Il y a donc séparation des charges électriques à l'intérieur du cumulo-nimbus qui se comporte ainsi comme un gigantesque accumulateur. La surface terrestre est quant à elle chargée positivement. Quand la différence de potentiel électrique entre ces différents niveaux devient trop importante, il y a décharge, c'est le coup de foudre. L'éclair et le tonnerre forment à eux deux la foudre. L'un ne va jamais sans l'autre. L'éclair est l'effet optique de la foudre, le tonnerre son effet acoustique.

L'éclair

Quand un éclair se produit entre le nuage et le sol, il est qualifié de « coup au sol » ou « éclair à la terre ». Quand il a lieu à l'intérieur d'un même nuage qui porte des charges électriques opposées, il s'agit d'un éclair « intranuage ». Il existe aussi des éclairs « internuages » entre deux ou plusieurs nuages chargés d'électricité de signes opposés. En moyenne, un éclair sur trois seulement atteint le sol. C'est ainsi que l'on peut entendre le tonnerre sans qu'aucun impact au sol ne soit détecté. La puissance instantanée de ces décharges au sol est considérable, couramment 20 000 mégawatts. Il en résulte des effets particulièrement destructeurs.

Formation des éclairs

Dessin : Formation des éclairs

Typologie des éclairs issus de cumulo-nimbus d'orage. Le feu de Saint-Elme est une décharge électrique lumineuse dans l'atmosphère émanant d'objets élevés (mâts, ailes d'avion.). Nettement visible la nuit, ce phénomène s'observe lorsque le champ électrique devient intense autour de ces... 

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L'examen attentif de l'éclair à la terre laisse tout d'abord entrevoir une faible décharge à la base du nuage. Cette première décharge constitue le traceur. Celui-ci progresse vers le sol en zigzaguant, à une vitesse d'environ 200 km/s, jusqu'à ce qu'il rencontre un obstacle élevé (arbre, pylône, toit, etc.). C'est alors qu'une puissante décharge électrique emprunte le chemin ainsi ouvert et zèbre l'atmosphère de traits lumineux. Cette décharge constitue véritablement l'éclair. Sa longueur peut varier de 100 mètres à plus de 20 kilomètres. Le long du trajet de l'éclair, la température de l'air atteint des valeurs particulièrement élevées, environ 30 000 0C. Il se déplace à près de 40 000 km/s et correspond à une différence de potentiel qui peut atteindre 100 millions de volts. La durée de l'éclair est très variable, comprise entre un millième de seconde et une seconde. Cet écart s'explique par le fait que l'éclair visible peut être composé de plusieurs décharges successives.

Le tonnerre

Le tonnerre est le bruit émis par l'expansion des gaz le long de la décharge électrique. C'est une onde acoustique qui se manifeste par un bruit sec ou un roulement sourd. Tout au long de la trajectoire de l'éclair, il se produit un échauffement et une expansion quasi instantanés de l'air. En quelques millièmes de seconde, les gaz sont portés à des températures qui dépassent plusieurs dizaines de milliers de degrés. Brusquement dilaté, l'air du canal comprime instantanément l'air environnant en provoquant une explosion soudaine et violente. Le phénomène est alors identique à une série d'explosions. L'air subit de très fortes compressions suivies de dilatations tout aussi fortes. Ces mouvements successifs, très brusques, expliquent les « grondements » du tonnerre. L'impression auditive de roulement, perçue par un observateur à distance, a donc pour origine un phénomène de battement entre les ondes émises tout au long de l'éclair. Généralement, les grondements du tonnerre ne s'entendent pas à plus d'une vingtaine de kilomètres. En revanche, les éclairs sont visibles de très loin. C'est ainsi que les « éclairs de chaleur » proviennent de cumulo-nimbus situés au-dessous de l'horizon : on voit l'éclair sans entendre le tonnerre.

Quand la foudre frappe, le canal de l'éclair transporte la charge électrique du nuage jusqu'au sol. Le coup au sol est généralement spectaculaire, quelquefois à l'origine d'incendie. Quand il s'agit d'une tour métallique, d'un mât en acier, il est bien difficile de voir si la foudre est passée par là. En règle générale, la foudre peut frapper une pelouse, des champs labourés sans laisser de traces visibles. En terrain sablonneux, la chaleur dégagée par l'éclair peut faire fondre les grains de sable et les agglomérer en un verre. Quand la foudre frappe un corps organique, la brusque dilatation des liquides qu'il contient provoque de graves brûlures, voire son explosion s'il est suffisamment conducteur (arbres), c'est le foudroiement.

Il est possible d'estimer la distance à laquelle on se trouve par rapport à l'orage. La lumière de l'éclair se déplace à quelque 300 000 km/s alors que la vitesse du son provoqué par le tonnerre est seulement de 337 m/s. En multipliant par 330 les secondes qui séparent l'éclair du grondement du tonnerre, on obtient approximativement la distance (en mètres) à laquelle se trouve l'orage.

La foudre en boule

La foudre en boule est sans doute l'un des phénomènes les plus spectaculaires et les plus étranges. Il existe de nombreux témoignages et la réalité du phénomène ne peut être mise en doute. La foudre en boule apparaît le plus souvent sous la forme d'une sphère lumineuse de 5 à 50 centimètres de diamètre. Cette boule peut subsister pendant des durées allant de quelques secondes à quelques minutes. D'une couleur jaune, orangée, rouge ou quelquefois bleue ou violette, elle semble se promener au-dessus du sol et se déplace horizontalement, comme si elle flottait dans l'air. Sa trajectoire est imprévisible. Elle peut disparaître par une fenêtre ou par une porte. Elle peut se glisser à travers des ouvertures étroites, comme des conduits d'évacuation ou des cheminées. On l'a vu apparaître brusquement dans des enceintes closes. Sa disparition est aussi imprévisible que son apparition. Le plus souvent, elle ne laisse aucune trace, une simple odeur d'ozone. Elle ne paraît dégager aucune chaleur perceptible.

Les chercheurs s'interrogent encore sur la véritable nature du phénomène. De nombreuses explications ont été avancées. Aucune d'elles ne fait encore l'unanimité. L'hypothèse d'une illusion optique est aujourd'hui abandonnée. Il est exclu qu'il s'agisse de réactions d'origine nucléaire. Une théorie, née dans les années 1970, prétendait que la foudre en boule était un anneau de plasma. Cette hypothèse est moins en faveur aujourd'hui. Certaines théories postulent qu'il s'agit d'une manife [...]

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Cumulo-nimbus

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Cumulo-nimbus d'orage

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René CHABOUD, « ORAGES », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 26 novembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/orages/