Science et technologie s1365

La foudre

La foudre est un phénomène naturel de décharge électrique. Elle peut se produire soit à l’intérieur d’un nuage d’orage, soit entre deux nuages d’orages (80% des éclairs) ou soit entre un nuage d’orage et le sol ou un objet (20% des éclairs).

 

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Étapes de la formation d'un éclair

Les cumulonimbus sont les nuages responsables des orages. Les cumulonimbus se forment dans de l’air instable. Puisque ces nuages sont des nuages à grand développement vertical (jusqu’à 10 km de hauteur), il y a une grande différence de température entre la base et le sommet du nuage. Cette différence de température provoque de violents déplacements d’air.

Les courants amènent l’air chaud et humide vers le haut du nuage. L’air se refroidit et forme en se condensant des fragments de glace, des grêlons et des gouttelettes de pluie.

Les particules les plus légères montent plus haut vers le sommet du nuage et accrochent les particules les plus grosses qui restent à la base du nuage. Ce frottement crée une séparation des charges électriques. La base du nuage devient donc chargée de particules négatives et le sommet du nuage devient chargé de particules positives.

Puisque les charges de signe contraire s’attirent, le sol sous le nuage d’orage se charge positivement. Quand les charges accumulées deviennent trop importantes, il y a une décharge électrique, un éclair, qui se produit.

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Dangers associés à la foudre

Courts-circuits, incendies de forêt, mort de bétail ne sont que quelques exemples de ce que peut causer la foudre. En effet, un éclair qui frappe une maison et touche à une ligne de courant peut griller tous les appareils électriques de la maison. Sans oublier que la chaleur dégagée par un éclair peut incendier la maison.

Si un être humain est touché par la foudre, il subira de graves brûlures et commotions électriques qui peuvent être mortelles. L’onde de choc provoquée par l’éclair peut catapulter des personnes en l’air sur plusieurs mètres.

Se protéger de la foudre

La foudre a tendance à frapper les régions de haute altitude et les objets très grands ou isolés.

Il faut donc s’éloigner des arbres isolés, des sommets ou des arêtes pendant un orage. Aussi, si une personne se trouve sur un lac en été et qu'un orage se prépare, il faut rapidement quitter le lac, car cette personne représente généralement le point le plus haut sur toute la surface du lac.

Pour se protéger de la foudre, il vaut encore mieux se réfugier à l’intérieur d’un bâtiment ou d’une voiture.

Le paratonnerre

Le paratonnerre est un dispositif composé d’une tige métallique placée en hauteur et reliée à la terre par plusieurs éléments métalliques conducteurs.

Si la foudre frappe la tige métallique, le courant électrique sera conduit vers le sol sans causer d’incendies ou de dégâts à la structure des bâtiments. C’est Benjamin Franklin qui a inventé le paratonnerre en 1752.

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Le tonnerre

Le tonnerre est un bruit produit par de l'air qui a été chauffé très rapidement par la foudre au cours d'un orage.  La température de l’éclair étant très élevée, l’air environnant subit un échauffement brutal suivi d’une violente dilatation. Il y a formation d’une onde de choc accompagnée d’une vibration acoustique. Le tonnerre se manifeste sous la forme d'un claquement sec ou d'un roulement sourd dont l'intensité varie selon la proximité de la personne de l'endroit où la foudre tombera.

Puisque la lumière voyage plus vite que le son, l’éclair est observé en premier: le tonnerre sera par la suite entendu.  Pour avoir une bonne estimation de la distance qui sépare une personne de l'endroit où la foudre a frappé, il suffit de compter les secondes qui séparent le moment où l’on aperçoit l’éclair et le moment où l’on entend le tonnerre et de multiplier ce nombre par 300 mètres.

Si six secondes séparent l'éclair du tonnerre, l'orage est situé à 1800 m de l'endroit où nous sommes.s1365i4.jpg

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Les éclairs de chaleur 

Les éclairs de chaleur sont en fait des éclairs qui se produisent lors d’un orage très éloigné.

On perçoit l’éclair, mais on ne perçoit par le bruit du tonnerre qui l’accompagne, car l’orage est trop loin.
La foudre en boule est un phénomène lumineux, d’origine électrique, qui serait de la même nature que les éclairs et qui ferait son apparition après un coup de tonnerre. D’après les observateurs, ce phénomène se présente sous la forme d’un globe de lumière colorée, de quelques centimètres à quelques décimètres de diamètre et aux contours indécis. Le phénomène se terminerait la plupart du temps par une explosion accompagnée d’un bruit ressemblant à un canon. Le globe grossirait et éclaterait en lançant des éclairs en zigzag de tous les côtés causant ainsi de gros dégâts. Ce globe est peut-être constitué d’air à l’état de plasma, les scientifiques n’en sont pas certains. En effet, c’est un phénomène très rare qui n’est pas encore très bien compris et expliqué des scientifiques.
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La chaleur dégagée par la foudre est considérable et excite les molécules de l’air. Lorsque les molécules d’air libèrent ce surplus d’énergie, elles le font sous forme de lumière. La couleur de cette lumière libérée dépend de la molécule qui a été excitée et de son degré d’excitation. S’il y a de la pluie dans l’air, l’éclair sera rouge. S’il y a de la grêle, l’éclair sera bleu. Un éclair jaune signifie qu’il y a une quantité importante de poussière dans l’atmosphère et un éclair blanc signifie que l'air est très sec.
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Quand le nuage est assez chargé pour produire une étincelle géante, on observe tout d’abord une toute petite décharge à la base du nuage qu’on nomme traceur descendant ou précurseur. Ce traceur suit le chemin qui lui offre la plus petite résistance vers le sol. Il zigzague par bonds de quelques dizaines de mètres et d’une durée de quelques microsecondes. La trajectoire qu’il emprunte devient donc un canal ionisé à la suite de son passage. Le traceur qui arrive près du sol provoque une accumulation de charges négatives et le sol en réponse à la proximité du traceur se charge alors positivement. La présence d’objets pointus au sol augmente le champ électrique. C’est ce qu’on appelle l’effet de pointe. Les objets au sol émettent alors de petites étincelles de plasma (traceur ascendant) pour rejoindre le traceur descendant. Lorsqu’une étincelle du sol se connecte au traceur descendant, un très fort courant électrique remonte dans le canal ionisé. L’éclair s’élève du sol vers le nuage c'est ce qu’on appelle un arc de retour. Cet arc électrique est le phénomène le plus énergétique et le plus destructeur de l'éclair. En même temps, les électrons du nuage sont attirés vers le sol sous forme d’un éclair aveuglant. Tout ce phénomène s’appelle le coup de foudre.

Les chiffres de la foudre
Cette décharge se propage à près de 40 000 km/s et provoque  une différence de potentiel qui peut atteindre 100 millions de volts et un courant de 30 000 Ampères. La longueur d’un éclair peut atteindre de 50 mètres à 25 kilomètres. L’épaisseur de l’éclair est d’environ 3 cm. La température à proximité d’un éclair peut atteindre 30 000 °C. Avec cette température, on comprend bien que l’éclair peut faire facilement fondre les parties métalliques des matériaux touchés et même faire éclater ou vaporiser les éléments métalliques en surface. La durée totale d'un éclair est de l'ordre du quart de seconde.
La carte suivante montre les endroits les plus touchés par la foudre.
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