Le phénomène foudre

La foudre a toujours fasciné les hommes. Il faudra attendre le milieu du XVIII° siècle pour que l’on fasse le lien entre foudre et électricité, notamment grâce aux expériences de Benjamin FRANKLIN. Depuis les années 80, le développement des réseaux de détection de foudre a permis de mieux comprendre, d’analyser et de quantifier le phénomène. Météorage est depuis 1987 un des leaders dans l’opération de ces réseaux et des services associés.

Introduction

 

Depuis l'aube de l'humanité, l'homme est fasciné par la foudre. Il attribuait alors au phénomène orageux une dimension mythique qui traduisait la colère des dieux.

C'est à partir du XXème siècle que l'étude de la foudre est devenue une science. On découvre alors que les orages sont indispensables à la vie, qu'ils assurent le maintien du champs électrique de notre planète.

Depuis le milieu du XXème siècle à aujourd'hui, le développement des réseaux de transport et de distribution d'énergie, de l'informatique et de l'électronique motive sérieusement la recherche en matière de protection contre la foudre et donc sur le phénomène lui-même.

 

  1. Le phénomène
  2. La foudre en France
  3. Effets et conséquences
  4. Règles de sécurité
  5. Terminologie

 

 

 

1- Phénomène physique

 

Bien que l'on puisse observer des éclairs dans des tempêtes de sable, de neige ou dans les nuées ardentes des éruptions volcaniques, le principal générateur d'orage est le cumulo-nimbus.

 

LaFoudre1

 

Ce nuage se développe en altitude jusqu'à plus de 10 kilomètres et sa base, qui se situe à environ 2 à 3 kilomètres au dessus du sol, occupe plusieurs dizaines de kilomètres carrés. Il est le siège de très forts vents ascendant et descendant, qui provoquent la collision des particules de glace, d'eau surfondue en présence. C'est le frottement entre ces particules qui entraîne l'électrisation du nuage et la séparation des charges. Les particules les plus lourdes (gouttes d'eau) chargées négativement se retrouvent dans le bas du nuage, alors que les particules les plus légères (cristaux de glace) chargées positivement sont situées dans le haut du nuage. Parfois un îlot de charges positives est enserré dans la masse négative.

 

LaFoudre2

 

Sous l'influence des charges négatives se trouvant dans le bas du nuage, le champ électrique atmosphérique au sol habituellement de l'ordre de 100 volt/mètre s'inverse et atteint des valeurs de l'ordre de -15 à -20 kV/m : La différence de potentiel entre le nuage et le sol est telle que la décharge est imminente.

On distingue deux types d'éclairs, les intra (ou inter-nuage) dont la décharge se produit à l'intérieur même du nuage (ou entre deux nuages) et les nuages-sol, ou coup de foudre, dont la décharge se produit entre le nuage et le sol. Ces derniers sont responsables de nombreux dégâts et pertes causés à l'environnement, aux constructions et aux hommes.                                                     

 Dans la majorité des cas, le coup de foudre (ou nuage-sol) est descendant. Le phénomène de la décharge est initié par une succession de pré-décharges partant du nuage vers le sol et progressant par bonds (précurseur par bonds).

LaFoudreschéma

 

 

Dès que l'une des pointes du précurseur s'approche du sol, des pré-décharges ascendantes (les traceurs) se forment et rejoignent le précurseur descendant. Il s'établit alors un pont conducteur entre le nuage et le sol (canal ionisé) qui va permettre le passage d'un courant de forte intensité. Ce courant est constitué par les charges superficielles du sol qui en remontant le canal ionisé neutralise les charges provenant du nuage : c'est l'arc en retour. L'échauffement de l'air provoqué par ce courant va entraîner sa dilatation et une déflagration va suivre : le tonnerre.
Cette première décharge laisse une trace conductrice qui relie le nuage au sol.

Quelques instants plus tard (de 10 à 70 ms) de nouveaux précurseurs descendants et arcs en retour vont emprunter cette trace en progressant beaucoup plus rapidement. On compte en moyenne 4 aller-retour sur cette même trace. L’œil humain, du fait de la persistance rétinienne, ne perçoit généralement qu'un seul éclair.
On observe une minorité de cas de coups de foudre ascendants, dans ce cas le traceur se développe à partir d'une proéminence importante au sol. On observe le phénomène en montagne ou sur des grands immeubles.

Outre le coup de foudre descendant et ascendant, une autre classification intervient en fonction de la polarité de l'impact de foudre. Il existe en effet des coups de foudre négatifs c'est à dire issus d'une charge négative provenant du nuage et les coups de foudre positifs issus d'une charge positive.

 

 

2- La foudre en France en quelques chiffres

 

« La foudre affecte le territoire de France Métropolitaine à raison d’une moyenne de 270 jours par an, c’est-à-dire qu’il y a au moins un impact de foudre, quelque part en France, plus de 2 jours sur 3.

Le mois de juillet reste le mois où l’on recense le plus d’activité en moyenne ses 20 dernières années, avec un foudroiement supérieur de l’ordre de 10% par rapport au mois d’août.

Ces 2 mois concentrent la moitié de l’activité annuelle et la période de mai à septembre représente plus de 90% de l’activité électrique annuelle.

Cependant, bien que l’activité soit prépondérante pendant la période estivale, les épisodes hivernaux sont moins fréquents mais d’une grande violence en terme d’intensité électrique.

Ainsi les mois de janvier, février et décembre voient des ampérages moyen deux fois plus important que lors des épisodes d’été, et plus d’1 impact sur 3 s’avère violent (c’est-à-dire supérieur à 50000 ampères) pendant cette période, contre 1 sur 15 en été.  

Notre territoire connaît de fortes disparités en terme de foudroiement, ainsi Nîmes subit un foudroiement de près de 40 fois supérieur à celui de Quimper par exemple.

La région PACA est la région la plus touchée en terme de population d’impacts et c’est le département des Alpes de Haute Provence qui subit la plus grosse activité en France Métropolitaine.

La Bretagne, région la moins impactée, subit cependant la plus grande  proportion d’impacts violents en termes d’intensité électrique.

Il faut noter que le nombre d’impacts de foudre varie d’une année sur l’autre :

 

graphe

 

Quelques records :

  • 1995 reste l’année la plus foudroyée depuis 1990.
  • Juillet 2006 reste le mois le plus foudroyé avec un mois caniculaire de triste mémoire.
  • Le 06/08/1999 est le jour le plus foudroyé avec l’équivalent, en un jour, de 15% de l’activité annuelle d’années comme 2008 et 2010.

 

 

3- Effets et conséquences

 

Les principaux effets de la foudre sont les suivants :

 

Effets thermiques

Ces effets sont liés aux quantités de charges à écouler lors du coup de foudre. Ils se traduisent par des points de fusion plus ou moins importants au niveau des impacts lorsqu'il s'agit de matériaux conducteurs et par une élévation de température aux endroits de mauvais contact pour des matériaux de grande résistivité. Sur des matériaux mauvais conducteurs une grande énergie est libérée sous forme de chaleur, l'humidité qu'ils contiennent provoque alors une surpression brutale allant jusqu'à l'éclatement. Ce processus peut être observé par exemple lors du foudroiement direct d'une construction.

 

Effets acoustiques

Les forces électrodynamiques liées au courant s'écoulant dans l'éclair créent une dilatation de l'air du canal de foudre et une élévation de pression dans le canal. Cette surpression et sa disparition brutale crée une onde de choc. La distance du canal de foudre et son orientation par rapport à l'observateur déterminent le spectre sonore perçu par l'opérateur.

 

Effets lumineux

Les effets sur les installations sont limités aux équipements optiques. Chez l'homme, des lésions oculaires peuvent survenir.

 

Effets électriques

Surtensions par conduction : lorsqu'un coup de foudre frappe une ligne électrique, l'onde électrique se propage le long du conducteur, générant un très fort courant supplémentaire dans la ligne électrique, qui provoque à son tour une surtension. Ce phénomène entraîne presque toujours un court circuit.

Les remontées de terre : la résistivité des sols fait que les prises de terres sont résistantes ce qui provoque lors du passage du courant de foudre une montée brutale en potentiel de l'installation.

Induction magnétique : l'impact de foudre est accompagné d'un rayonnement électromagnétique, si ce dernier atteint un conducteur (une ligne électrique par exemple), le flux électromagnétique est générateur de tensions induites élevées.

 

Les conséquences sur les hommes, les êtres vivants et les biens

 

Sur les hommes et les êtres vivants

Les personnes sont exposées à la foudre par différents types de foudroiement :

  • foudroiement direct : la décharge électrique se produit par impact direct sur la personne.
  • foudroiement par éclair latéral : le courant de foudre descend par un élément faiblement conducteur avant de choisir un chemin de moindre résistance qui peut être une personne située à proximité.
  • foudroiement par tension de pas : lorsque la foudre frappe un point au sol, on a alors une différence de potentiel suffisante pour générer un courant qui passe dans les membres inférieurs d'une personne ou d'un animal.
  • foudroiement par tension de toucher : si l'on touche simultanément deux objets conducteurs dont l'un subit une surtension liée à la foudre, la différence de potentiel entre les deux conducteurs est telle que le corps de l'individu est parcouru par le courant de foudre.
  • foudroiement par courant induit : foudroiement par captage capacitif d'une ramification d'un coup de foudre descendant.

Le risque majeur lors d'un foudroiement est l'arrêt cardio-vasculaire. Comme dans tous les cas d'électrisation seule la réanimation cardiaque et respiratoire immédiate peut sauver la victime. D'autres manifestations sont possibles et doivent faire l'objet d'un diagnostic réalisé par un spécialiste.

Les lésions que l'on peut rencontrer sont des brûlures ou des lésions de type neurologiques, cardio-vasculaires et pulmonaires, traumatiques, auditives ou oculaires. Il existe des règles de sécurité à respecter pour se prémunir de ce type d'accident.

 

Sur les biens

Le coup de foudre direct peut entraîner :

  • des destructions de bâtiments et de matériels par incendies ou explosions,
  • des accidents liés à la manipulation de produits inflammables par temps d'orages.

Les surtensions véhiculées par les lignes électriques causent des dommages sur tous les équipements sensibles :

  • détérioration de composants électroniques et autres éléments,
  • dysfonctionnement des machines automatiques et des équipements informatiques,
  • vieillissement prématuré des composants électroniques,
  • interruption des chaînes de production en milieu industriel
  • pertes de production.

 

En France toujours, la foudre serait responsable du décès de 20 000 bêtes, à l’origine de 20000 sinistres dont 15000 incendies, et de la destruction de 50000 compteurs électriques et de 250 clochers chaque année, France Telecom chiffrant les dégâts à environ 60 millions d’euros sur ses réseaux télécoms hors G.S.M.[1] !

 

 

4- Règles et sécurité

 

La protection contre la foudre est soumise à une réglementation importante régie par des normes et des arrêtés ou circulaires ministériels. Les professionnels de la protection contre la foudre sont réunis au sein d'une association le GIMELEC où il est possible d'obtenir une liste exhaustive des normes relatives à la protection contre la foudre et les coordonnées des professionnels membres.

 

A titre d'information voici un descriptif non exhaustif des techniques courantes de protection :

 

Protection associée aux risques de surtensions amenées par les réseaux externes

  • Les réseaux externes conducteurs ne véhiculant pas de l'énergie (tuyauteries métalliques) doivent être reliés au réseau de masse afin éviter les risques liés aux différences de potentiel.

 

Protection des réseaux internes

  • La condition nécessaire à l'obtention d'une bonne protection contre la foudre est l'équipotentialité, qui est un moyen fiable pour éviter les amorçages ou les destructions de matériels. Pour cela il est nécessaire de procéder à un maillage des masses, toutes les structures métalliques seront interconnectées grâce à ce maillage.
  • Cheminement des câbles : séparation des câbles protégés de ceux qui ne le sont pas.
  • Réduction des surfaces de boucle : malgré une bonne équipotentialité, il subsiste un risque de surtension du fait des champs magnétiques qui induisent des tensions dans toute boucle de conducteur électrique.
  • Le regroupement des équipements sensibles a son intérêt dans la gestion du risque.
  • Limiteur de surtension : limitation de l'amplitude en amont de l'installation.
  • Parafoudres et parasurtenseurs : leur rôle est de limiter les surtensions transitoires à des valeurs non dangereuses pour le matériel et d'évacuer les courants de décharge vers la terre.

 

Protection des bâtiments

Le paratonnerre situé sur le sommet d'un bâtiment permet de capter la foudre, de canaliser et d'évacuer l'énergie vers la terre. On distingue trois types de paratonnerres :

  • Paratonnerres à tige : tige métallique placée en partie supérieure du bâtiment. L'énergie sera écoulée vers la terre le long d'une descente verticale (type pointe de Franklin - type à dispositif d'amorçage PDA).
  • Paratonnerre à cage maillées : consiste à réaliser un maillage autour du volume du bâtiment. Les conducteurs peuvent être équipés de pointes courtes sur les parties situés au sommet du bâtiment. Chaque conducteur de descente est relié à une prise de terre.
  • Paratonnerre à fils tendus : système constitué d'un ou plusieurs fils conducteurs tendus au-dessus des installations à protéger. Cette méthode est utilisée en particulier pour la protection des lignes hautes tensions des réseaux électriques.

La prise de terre permet dans le cadre d'un maillage des masses de fixer un potentiel invariable des appareils ou des éléments conducteurs, d'une manière générale d'écouler à la terre l'énergie.

 

Recommandations pour les personnes voulant se protéger de la foudre

  • éviter les activités de plein air.
  • éviter l'utilisation du téléphone.
  • éviter de courir, de faire de grands pas.
  • éviter les abris naturels (grottes...).
  • s'abriter dans un bâtiment clos si possible, à défaut dans une voiture.
  • ne pas s'abriter sous un arbre isolé.
  • s'il n'y a pas d'abris possibles, s'accroupir les pieds joints, les genoux repliés vers le torse.
  • éviter de faire de la bicyclette, de monter à cheval.
  • en espace ouvert ne pas porter sur soi d'objets métalliques (parapluie, club de golf, fourche...).
  • éviter tout contact avec les objets métalliques (conduites d'eau), appareils électriques.
  • débrancher les câbles d'antenne et d'alimentation électrique du téléviseur.
  • en montagne, ne pas se plaquer contre une paroi rocheuse, mais s'en éloigner.
  • en bateau, relier le mât métallique du bateau, soit à la coque si elle est métallique, soit à une chaîne métallique plongeant dans l'eau.

 

 

 

5- Terminologie

 

LF : technologie Basse Fréquence (Capteurs Vaisala LS7001 installés en France)

VHF : technologie Très Haute Fréquence (Capteurs Vaisala LS800 installés en région parisienne)

 

  

Terme Description Technologie de détection Détails
Éclairs Ensemble des décharges de courant et impulsions électriques d'un évènement foudre LF et VHF Terme générique.
Un éclair peut apparaitre dans un nuage (IC) entre des nuages (CC) ou ente nuage et sol (CG)
Un éclair peut être composé d'un ou plusieurs Arcs.
Un éclair est constitué de décharges de courant détectées en LF et d'impulsions électriques détectées en VHF
Arc ou Arc en retour Impulsion de courant dans  un éclair nuage-sol LF  
1er Arc Le premier des arcs d'un éclair nuage sol LF  
Arc subséquent Tous les Arcs d'ordre supérieur à 1 (le 2ème, le 3ème, etc) dans un éclair nuage sol LF  
Flash Représentation d'un éclair par son 1er Arc LF Le 1er arc est utilisé pour représenter un groupe d'arcs
Intra-nuage Décharge de courant intra-nuage LF Entre 2 nuages (CC) ou dans un même nuage (IC)
Eclair VHF Ensemble des impulsions électriques d'un évènement VHF Terme générique.
Un éclair VHF est un phénomène dans le nuage, il est constitué de claquage que l'on peut regrouper en branches
Source (ou amorçage ou claquage) Émission d'une impulsion électrique VHF Détectable seulement en VHF
Branche ou ramification Regroupement  des sources d'un éclair pour reconstituer leur cheminement VHF Groupe de sources VHF représenté sous forme de branches
Extension Contour des sources correspondant à un même éclair VHF Représenté par un polygone ou une ellipse
Densité de sources Nombre de sources calculé sur un maillage pour une durée donnée VHF Représenté sur un maillage ou par une surface

 

 

 

 

 

[1] source : C. GARY « la foudre » éditions Masson / Introduction p XIII et données METEORAGE