Les orages

... les colères du ciel...

Qu'est-ce qu'un nuage d'orage?

C'est un nuage dont le sommet a la forme d'une enclume et dont la base est plate. Celle-ci peut être située entre 500 et 2000 m; le sommet du nuage peut atteindre une altitude de 15000 m en moins d'une demi-heure. Il est bourgeonnant dans le ciel. À l'intérieur de ce nuage, de forts courants d'air chaud montent et d'air froid descendent. Tout d'un coup, un vent violent nous avertit qu'un orage est sur le point d'éclater.

Formation d'un orage

Lorsque de l'air anormalement froid recouvre de l'air anormalement chaud, les conditions sont favorables au déclenchement des orages. De violents courants d'air verticaux entraînent l'humidité, les fragments de glace, les grêlons et les gouttelettes d'eau à l'intérieur du nuage. Ces frottements créent une séparation des charges électriques. Les particules les plus fines, chargées d'électricité positive, se dirigent vers le sommet. Les plus lourdes chargées d'électricité négative vont vers la base. À cause des mouvements verticaux très violents et puissants, il y a déséquilibre entre les charges électriques à l'intérieur du nuage ainsi qu'à l'extérieur, entre la base négative du nuage et le sol positif. Quand les charges accumulées deviennent trop importantes, et surtout lorsqu'il y a opposition directe entre ces charges, il y a décharge électrique (éclair) et un orage éclate.

Pourquoi y-a-t-il tant d'orages l'été?

Les orages ont habituellement lieu à la fin d'une chaude journée d'été, quand les cumulonimbus ont atteint leur développement maximal (extension verticale pouvant atteindre 20 km). Pourquoi? Parce que l'été, le soleil brille plus longtemps et est plus fort; il réchauffe l'air. Plus l'air est chaud, plus il monte vite et haut, rencontrant des zones de plus en plus froides. Il y a donc formation de plus de cumulus ou cumulonimbus. D'importantes masses d'air très froid et d'air très chaud se confrontent donc, cherchent à se repousser, montent et descendent en tourbillons, se mélangent chargeant ainsi les nuages d'électricité.

Comment se produit l'éclair?

Quand le champ magnétique d'un nuage est assez puissant pour produire, malgré la résistance de l'air, une étincelle géante (i.e. si le nuage est suffisamment chargé pour donner lieu à un coup de foudre), on observe d'abord une faible décharge, déclenchée habituellement dans la partie basse du nuage, appelée traceur par bonds, qui progresse vers le sol en zigzaguant, en suivant la trajectoire offrant la plus basse résistance entre le nuage et la terre. Ce traceur avance par bonds de quelques dizaines de mètres de long et d'une durée de quelques microsecondes; il met 1/100s pour arriver au sol et se déplace à environ 200 km/s. Entre chaque bond, le traceur prend une pause d'environ 50 microsecondes. Le traceur peut se diviser et créer ainsi des ramifications. Il laisse derrière lui un canal ionisé qui, aussitôt que le traceur rencontre un objet (arbre, clocher, toit d'un édifice), sert de chemin entre le sol et le nuage et laisse passer une décharge de retour puissante. Aussitôt s'écoule un très fort courant électrique qui remonte le long du canal ouvert par le traceur: c'est le coup de foudre! Cette puissante décharge de retour qui se propage en vague se déplace à près de 40000 km/s et correspond à une différence de potentiel pouvant atteindre 100 millions de volts.

Après la décharge de retour, l'éclair peut s'arrêter là. Mais s'il la charge est suffisante dans le nuage, un traceur de dard peut retourner du nuage au sol par un
circuit direct. Ce traceur de dard déclenche une deuxième décharge de retour. Il peut y avoir plusieurs décharges de retour dans un éclair, en moyenne 3 ou 4, avec entre 40 et 80 millisecondes entre chaque décharge.

La décharge électrique ainsi produite zèbre l'atmosphère de lignes lumineuses (éclairs); elle est constituée de particules électriques qui se déplacent très rapidement en lignes sinueuses. Environ un tiers de toutes les décharges ont lieu entre les nuages ou à l'intérieur de ces derniers (aussi appelés éclairs de chaleur). L'éclair semble zigzaguer: en fait, c'est la combinaison de plusieurs éclairs. Ils jaillissent si vite d'un nuage à l'autre qu'ils donnent l'illusion d'un seul éclair. (Le principe de l'éclair est le même que lorsqu'on frotte ensemble 2 ballons et qu'il y a formation d'une étincelle.)

Différents noms d'éclairs:

fulminants: en sillons qui ne sont ni rectilignes ni en zigzag, mais courbés avec des arrondis graduels.

ramifiés: lorsqu'ils se subdivisent en plusieurs branches.

sinueux: lorsqu'ils ont de nombreux traits et segments assez apparents.

En fait, ces trois appelations réfèrent à l'éclair fulminant.

Longueur de la trajectoire d'un éclair:

La longueur des éclairs peut aller de 100 m à au moins 20 km dans le cas de l'éclair sinueux.

Température de l'air autour de l'éclair:

La température de l'air est très élevée, environ 30000 degrés (5 fois la température du soleil!) le long du trajet de l'éclair. (N'oubliez pas que l'air traversé par l'éclair est "grillé"!).

Quelle est l'énergie dégagée par l'éclair?

Un éclair consomme au maximum l'équivalent en énergie d'une machine de 2800 KW/h. Les 44000 éclairs qui se produisent par jour dans le monde fourniraient l'équivalent de 100 éclairs/s. Ceci correspond à un déversement d'énergie de 4 milliards de KWatts. Même à 1 cent le KW/h, cette énergie vaudrait 200 000 000$/jour. L'intensité équivaudrait à 10000 ampères. Mais capter cette énergie est aussi difficile que de construire un pont de la terre à la lune!

Qu'est-ce que le tonnerre?

C'est le sous-produit de la foudre. Tout au long de la trajectoire de l'éclair, d'une largeur de quelques centimètres, il se produit un échauffement et une expansion quasi instantanés de l'air provoquant une explosion soudaine et violente; l'air environnant est comprimé (augmente brusquement de volume). Ces ondes de choc sont comparables à celles qui sont formées par un coup de canon. L'air dans le canal est dilaté.

Le tonnerre est donc dû à l'expansion explosive qui accompagne une montée soudaine et rapide de la température. Lorsque l'éclair est court et droit, les ondes sont perçues sous la forme d'un seul coup de tonnerre. Mais si le trajet est long et ramifié, on entend alors une succession de grondements (parce que l'éclair frappe à une distance qui est souvent à plusieurs kilomètres de son point de départ, alors qu'il faut environ 3 secondes pour que le son parcoure un kilomètre.) Plus l'orage est loin, plus le tonnerre est perçu comme un grondement; plus il est rapproché, plus il ressemble à un claquement sec.

Comment évaluer la distance de l'orage?

On voit tout d'abord l'éclair, puis on entend le tonnerre, tout simplement parce que la lumière voyage environ 1 million de fois plus vite que le son. (vitesse du son = 337 m/s; vitesse de la lumière = 300000 km/s). On peut évaluer la distance de l'orage de 2 façons:

En comptant le nombre de secondes qui séparent la vision de l'éclair et le bruit du tonnerre et en divisant ce nombre par 3, on aura la distance nous séparant de l'orage en kilomètres. (Par exemple, si 6 secondes séparent l'éclair du tonnerre, alors on sait que l'orage est situé à 2 km de lieu où l'on est.)

En comptant le nombre de secondes qui séparent la vision de l'éclair et le bruit du tonnerre et en multipliant ce nombre par 300, on aura alors la distance approximative nous séparant de l'orage en mètres. (Par exemple, si 6 secondes séparent l'éclair du tonnerre, alors on sait que l'orage est situé à 1800 m de lieu où l'on est.)

Les dangers de la foudre:

Quand la foudre s'abat sur un arbre, le puissant courant électrique transforme l'eau, contenue dans le bois, en vapeur et l'arbre explose en mille morceaux qui volent dans toutes les directions.

On dénombre, par année au Canada et aux États-Unis, 500 morts, 1300 blessés et 20 000 000$ de dommages matériels. Selon certaines statistiques, de 1968 à 1977, en moyenne 10 Canadiens ont été tués par la foudre. Cette dernière est responsable de plus de 20% des feux de forêts au Canada et 40% de ceux de la Colombie-Britannique. Si on est prudent, on a une chance sur 350000 (ou moins) d'être tué par la foudre. (En comparant avec les accidents d'auto, on se rend compte qu'il y a 50 fois plus de chance d'être tué sur les routes).

Comment se protéger de l'orage:

Dans une maison à charpente métallique (car le courant suit le métal);

Sous un toit métallique dont tous les coins sont reliés à la terre;

Dans un édifice équipé d'un paratonnerre.

Si vous êtes surpris à l'extérieur par l'orage:

trouvez un abri à l'intérieur sinon réfugiez-vous dans une crevasse, sous une falaise ou dans une grotte;
éloignez-vous des arbres isolés;
évitez les zones surélevées et la lisière d'un bois;
lorsque l'orage est très violent, n'hésitez pas à vous asseoir ou à vous coucher dans un fossé;
ne vous approchez pas à plus de 30 m d'une clôture en fil de fer à cause du risque élevé d'électrocution même si la foudre a frappé la clôture à 1 km de là;
il n'est pas nécessaire de fermer portes et fenêtres, sinon pour empêcher la pluie d'entrer (la foudre traverse la brique!);
il n'y a aucun rapport entre les courants d'air et la trajectoire de la foudre;
les golfeurs devraient éviter de lever leur bâton au-dessus de leur tête;
les nageurs devraient sortir de l'eau;
en auto, ne pas se garer près d'un grand arbre ou d'une clôture grillagée.

Quelques statistiques

Il y a environ 20 millions d'orages par an. (50000 par jour).
Ils sont moins fréquents aux latitudes septentrionales.
En moyenne, il y a 20 jours par an d'orages dans la partie sud de la vallée du St-Laurent (dans le Golfe, il y en a 10 jours par an).
Diamètre d'un orage: 15 à 25 km.
Extension verticale 10, 12 ou 15 km.
Durée 1 ou 2 heures (ou plus si bien violent).
À tout moment, 100 éclairs frappent la surface terrestre: total annuel mondial: 32,000,000 éclairs; total annuel canadien: 100,000 éclairs.

À retenir (!!!):

.les animaux n'attirent pas la foudre.
.laisser les fenêtres ou les portes ouvertes n'invite pas la foudre à entrer.
.la foudre peut s'abattre plus d'une fois au même endroit; il n'est donc pas sécuritaire de se placer à un endroit où elle a déjà frappé (l'Empire State Building à New York, a été frappé 15 fois en 15 minutes!).
NOTE: un orage est toujours ÉLECTRIQUE, c'est donc redondant de dire: orage électrique!

Information extra

La foudre maintenant domptée... (article de La Presse, 16 août 98)

La foudre peut causer bien des problèmes dans notre monde moderne. Quand sa cible est un aéroport, un avion, un hôpital ou tout autre lieu public, elle met des vies en danger. Quand elle envoie une décharge électromagnétique qui cause une surtension dans le réseau électrique d'un centre informatique, la perte monétaire peut être importante.

C'est dans le but d'éviter ces incidents que des recherches actives sont entreprises pour contrer ou du moins, maîtriser, la foudre. On a découvert que le laser pourrait, en plus d'être utilisé comme paratonnerre, servir à déclencher un éclair à un moment bien planifié. Le laser à ultraviolets est celui qui a été préféré par des spécialistes américains de l'université du Mississipi. Même s'il est moins bon conducteur que le faisceau laser, il a l'avantage d'ioniser uniformément sur un long parcours rectiligne. En faisant suivre ce premier laser d'un deuxième rayon laser, celui-là de lumière visible, assez d'énergie est alors présente pour ioniser un canal qu'empruntera alors l'éclair. Ainsi, on pourrait désamorcer un orage et le vider de son énergie, au moment opportun, i.e. longtemps avant qu'il ne soit prêt à éclater de lui-même. Il ne manque plus maintenant qu'un paratonnerre à laser mobile pour pouvoir tester, pendant les orages, cette méthode déjà expérimentée avec succès en laboratoire.

Au siècle prochain, les endroits à risque pourraient posséder des capteurs d'orages avec des lasers balayant le ciel orageux menaçant pour le rendre inoffensif en le déchargeant de sa tension. Qui sait, on n'est peut-être pas si loin de ce rêve !

En mai 99, l'IREQ a annoncé aux médias que des recherches de ce type sont en cours dans leurs bâtiments. Qui sait... Les québécois seront peut-être les premiers à dompter la foudre !!!