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L'électricité
La foudre
Connue par tous, la foudre terrorise et fascine les hommes depuis toujours. Dès l’Antiquité, la foudre était associée à la colère des Dieux.
René Descartes lui-même, pourtant considéré comme le grand penseur rationaliste du 17ième siècle, écrivait :
"La foudre résulte de l'explosion des exhalations sulfureuses de l'atmosphère sous la pression, lorsqu'un nuage plus lourd tombe sur un nuage plus léger !"
Ce n'est que depuis le 18ème, que nous savons expliquer physiquement ce phénomène naturel.
Dans un premier temps, la légende veut que ce soit grâce aux cerfs-volants que l'on ait pu mettre en évidence l'origine électrostatique de la foudre.
Vers 1750, l'abbé Nollet fait un rapprochement entre la foudre et l'étincelle électrique.
Sa théorie est renforcée par les expériences du français Jean-Théophile Desaguliers, de l'allemand Johann Heinrich Winckler et de l'américain Benjamin Franklin.
Les décharges atmosphériques
La foudre est un phénomène électrique, lié à la formation de nuages électrisés : les nuages d'orage. Cependant, la foudre n'est qu'une manifestation de l'orage; les précipitations (pluies, grêles) et le vent en sont des manifestations toutes aussi dangereuses.
De nombreux scientifiques ont essayé de décrire la phénoménologie des orages. Malheureusement la complexité des phénomènes orageux est telle qu'aucun modèle satisfaisant n'existe à ce jour.
Les nuages orageux sont généralement de type cumulo-nimbus et sont constitués de centaines de milliers de tonnes d'eau. Leur base peut atteindre des surfaces de plusieurs dizaines de kilomètres carrés et ils s'étendent entre des altitudes allant de 2 à 20 km. Ils ont très souvent une forme caractéristique dite "en enclume".
La formation des nuages d'orage trouve son origine dans la présence d'une instabilité thermique importante de l'atmosphère, soit liée à des conditions météorologiques locales : réchauffements de masses d'eau (orages de chaleur), en présence d'accidents de reliefs, soit à la rencontre de fronts atmosphériques froids avec des fronts chauds (orages cycloniques), soit des deux. Des mouvements de convection prennent alors naissance et conduisent à des phénomènes de condensation de masses de vapeur d'eau importantes favorisant la création de gros nuages cumuléiformes.
On distingue deux sortes d'orages :
les orages de chaleur naissent d'un effet de réchauffement des sols associé à une forte humidité. Ce sont des orages locaux. Une bulle d'air chaud et humide s'élève et forme un nuage à des altitudes où peut s'initier la condensation de l'air. Un tel orage ne dure généralement que 1 à 2 heures,
les orages océaniques ou frontaux se forment lors de la rencontre de masses d'air importantes, de température et d'humidité différentes. Cette rencontre produit des mouvements de convection ascendants, accompagnés de phénomènes de condensation. Ces orages peuvent présenter des fronts de centaines de kilomètres, persister des jours durant et se propager sur des milliers de kilomètres.
L'électrification du nuage d'orage
Par suite de phénomènes physiques encore inexpliqués, on constate que des décharges électriques vont se former à l'intérieur du nuage, majoritairement négatives en bas du nuage et positives en haut du nuage. L'éclair n'est ni plus ni moins qu'une décharge électrique permettant le rééquilibrage et la recombinaison de ces charges, en mettant en jeu non seulement le nuage, mais également les structures au sol par influence électrostatique.
La majorité des éclairs se développe à l'intérieur des nuages, activité qui, d'ailleurs, n'est pas directement accessible à la perception humaine. Ce n'est que moins de 10 % de l'activité orageuse qui intéresse le sol.
Pourquoi une activité électrique ?
Deux types de théories tentent d'expliquer l'activité électrique des orages, mais aucune n'est franchement satisfaisante.
La première attribue un rôle essentiel aux porteurs de charges libres positifs et négatifs, dont la répartition à l'intérieur du nuage dépendra de leur entraînement par les mouvements de convection naturelle du nuage.
La deuxième théorie s'appuie sur des processus d'échanges de charges entre les particules qui entrent en collision à l'intérieur du nuage. Ce transfert de charges s'effectue entre les petits cristaux de glace (quelques micromètres) et les particules de grésil (quelques millimètres), en présence d'eau surfondue. Pour une température inférieure à -10°C, c'est-à-dire dans la partie supérieure du nuage, les cristaux se chargent positivement, et le grésil négativement. Pour des températures supérieures à -10 °C, donc dans la partie inférieure du nuage, c'est l'inverse qui se produit. La répartition des charges dans le nuage est alors régie par les transferts de charges vers les particules précipitantes.
Dans tous les cas, le processus conduit à la création d'un tripôle électrique. Une charge principale négative se trouve entre 2 et 6 km du sol et est généralement constituée de gouttelettes d'eau à une température descendant jusqu'à -15 °C. Au-dessus et jusqu'à des altitudes de 15 km, se trouvent des particules de glace chargées positivement. Enfin, on trouve souvent une petite charge positive tout en bas du nuage (description de Krehbiel, 1986).
Champs électriques et orages
Par beau temps, on peut mesurer à la surface de l'écorce terrestre un champ électrique, vertical, positif par convention, de l'ordre de 120 V.m-1.
Lors du développement d'un processus orageux, la base du nuage d'orage est le siège d'une charge électrique globalement négative qui va conduire à un champ électrique au sol de polarité inverse au champ électrique de beau temps et pouvant atteindre des valeurs moyennes de -15 à -20 kV.m-1.
La présence d'objets pointus au sol renforce localement ce champ électrique qui peut atteindre alors des valeurs de quelques centaines de kV.m-1 suffisantes pour initier un éclair.
A l'intérieur du nuage, les champs créés par la distribution des charges électriques de polarités différentes peuvent être intenses et atteindre des valeurs suffisantes pour déclencher des éclairs.
Les principaux risques en matière de foudroiement
Il est indispensable de toujours avoir à l'esprit que les risques liés au foudroiement sont de deux types : ceux directement liés au coup de foudre direct, et ceux qui sont des conséquences de la chute de la foudre.
La foudre, de fait, touche rarement une structure. Elle ne tombe en France que 2 millions de fois par an, ce qui représente une densité moyenne de foudroiement de 2 coups de foudre par km² et par an.
Le risque de foudroiement d'un grand bâtiment en France est de l'ordre de un coup tous les cent ans.
Pour un arbre, il est de un coup tous les 200 ans, et pour un homme, de un coup tous les 10 000 ans.
Mais les manifestations parfois exceptionnelles de la foudre ne doivent pas faire oublier de relativiser les risques réels : le retour d'expérience concernant les être humains conduit à des statistiques de décès liés à un coup de foudre de l'ordre de 25 par an, du même ordre de grandeur que celles journalières dues aux accidents de la route.
La foudre est représentée par des paramètres caractéristiques. Les différents paramètres ne conduisent pas aux mêmes effets ni aux mêmes modes de défaillance :
l'amplitude de courant est utile pour traiter des problèmes de surtensions et des problèmes d'efforts mécaniques engendrés par les chocs de foudre ;
le temps de front ne sert qu'à traiter le problème des surtensions lorsqu'interviennent des inductances dans les circuits foudre ou des couplages inductifs entre circuits ;
le temps de queue est lié aux efforts mécaniques, et sert à déterminer la durée d'application de la force électromagnétique; il est représentatif de l'énergie du coup de foudre en liaison avec l'amplitude.
Les effets directs
Les effets directs de la foudre peuvent être de natures différentes :
·Effets thermiques : au voisinage de la zone de contact canal de foudre-structure, des transferts d'énergie importants ont lieu entre l'arc électrique, dont la température interne peut atteindre 30 000 °K, et les matériaux des structures (effet de taches anodiques ou cathodiques). Par ailleurs, l'amplitude des courants générés par la foudre et transmis aux structures conduit à un effet joule significatif dans les matériaux, en particulier au niveau des connexions arc-structure. Accrus par l'effet de peau, caractéristique des composantes haute fréquence de la foudre, ces deux effets combinés peuvent conduire à des échauffements des matériaux des structures très violents, pouvant occasionner des dommages considérables.
·Etincelages thermiques : c'est un cas particulier des effets thermiques. Ces derniers sont tellement intenses qu'ils peuvent se propager à travers les matériaux, jusqu'au niveau de la face interne des structures. Ces effets thermiques peuvent conduire à des éjections brutales de matières incandescentes. Ce phénomène est particulièrement dangereux en présence de matières inflammables ou explosives (hydrocarbures, poussières...).
·Effets mécaniques : le transfert brutal d'énergie entre l'arc de foudre et la structure peut se faire aussi sous forme mécanique. Ces effets peuvent engendrer des déformations de structure, des délaminages dans les matériaux composites stratifiés. Par ailleurs, les courants de foudre injectés dans la structure sont suffisamment intenses pour engendrer, sous certaines conditions, des déformations résultant des forces de Laplace.
Les effets indirects
Les effets indirects sont liés au rayonnement électromagnétique de l'éclair qui, par conduction ou induction, va venir perturber le bon fonctionnement de systèmes électroniques et informatiques et bien sûr induire des perturbations dans les transmissions radio (parasites)
Les Effets sur l'homme
Les effets sur l'homme sont du même type que les effets directs et indirects de la foudre, mais il convient de distinguer deux classes d'effets :
· ceux qui sont directement liés au foudroiement et qui sont de nature thermique, électrique, auditif, oculaire etc. et qui sont très spécifiques à la foudre,
· ceux qui font suite aux conséquences des effets indirects d'un foudroiement ; brûlures liées à un incendie, chutes d'objets, courants électriques à fréquence industrielle de défauts, etc., ce sont d'ailleurs les plus nombreux. Ces effets ne sont pas spécifiques à la foudre.
Dans ces deux cas, les conséquences psychosomatiques des foudroiements ne doivent pas être négligées.
Position de sécurité en cas d'orage
Les différents systèmes de protection
La protection passive
Ce type de protection est basé sur la mise en place de dispositifs qui vont :
· D'une part assurer la maîtrise de la connexion de la foudre sur les structures, et évacuer son énergie à la terre (dispositifs paratonnerres de type tige Franklin, parafoudres d'antenne, cages maillées ou blindage),
· D'autre part, limiter les perturbations électromagnétiques de la foudre, par la mise en place d'un ensemble de mesures permettant la maîtrise des montées en potentiel des sols et des masses et leur écrêtage par des dispositifs parasurtenseurs (voir la page antenne). A ce stade, il faut prendre en considération la totalité des modes de transmission des perturbations électromagnétiques occasionnées par la foudre (Antennes, lignes électriques et téléphoniques, câbles, conduites métalliques, le sol lui-même, l'air...).
L'analyse et la mise en place de ces systèmes de protection nécessitent une expertise de plus en plus grande au fur et à mesure que les risques et les coûts des risques mis en jeu augmentent.
De plus, pour être efficaces, ces systèmes de protection doivent être étudiés dès la conception des structures et des bâtiments.
Des procédures de maintenance et de vérification des dispositifs doivent également être mises en place.
La protection active
Ce type de protection est basé sur la prévention du risque. Elle repose sur l'alerte et la prévision de processus orageux, actuellement possible grâce à Météo France, au réseau Météorage et au réseau Safir en France, ou grâce à des systèmes de détection localisés.
La protection active permet de mettre en oeuvre des procédures spéciales d'exploitation (par exemple au niveau des mouvements de matières dangereuses), et de surveillance renforcée.
L'énergie des éclairs
L'énergie fournie par un éclair est d'environ 500 MJ. Si l'on compte 1 million de coups de foudre au sol, sur un an, sur toute la France, la puissance statistique récupérable serait de l'ordre de 20 MW.
Si l'on sait qu'une ville de 100 000 habitants consomme aujourd'hui environ 1.000 MW, on voit que l'énergie des éclairs représenterait un apport tout a fait minime. En pratique, tout le monde sait que les essais de "captage" de la foudre ont toujours échoué. Il est impossible de récupérer cette énergie : la foudre reste avant tout un phénomène naturel, par conséquent aléatoire.
La foudre à l'origine de la vie ?
En 1953, le biologiste Stanley L. Miller réalise une expérience dans laquelle il reconstitue l’atmosphère terrestre primitive, puis déclenche des étincelles électriques pour simuler des orages.
Le résultat obtenu montre que des molécules organiques se sont créées, donc la foudre est probablement à l’origine de la vie sur terre.
et la grêle
Lors des orages, il n'est pas rare de voir des précipitations sous la forme de billes de glace (grêlons). Le diamètre de ces grêlons peut varier de quelques millimètres à plusieurs dizaines de centimètres en constituant des projectils très dangereux pour la végétations, mais aussi pour les animaux, les habitations et les hommes.
Il serait trop long de décrire le processus complexe de formation de la grêle, mais l'existence des charges électriques contenues dans les nuages était considéré au début du siècle dernier comme un des vecteurs principaux de sa formation.
Ainsi fut-il proposé de traiter la grêle à l'aide de dispositifs désélectriseurs de nuages que les promoteurs baptisèrent Niagaras Electriques.
Ces pseudo-paratonnerres devaient protéger nos cultures et nos vignes pour la grande satisfaction de nombreux agriculteurs.
De fait, l'exploitation de quelques installations prototypes dans les années 1910 fut un échec et l'expérience ne fut depuis jamais reconduite.
Les fusées et canons anti-grêles utilisés dans nos campagnes ont une efficacité limitée et les météorologues doutent même aujourd'hui de la façon dont ils peuvent agir.
Seul l'ensemencement des nuages avec du iodure d'argent permet de minimiser les dégâts causés par la grêle en fragmentant les noyaux de congélation et en augmentant le nombre de grêlons.
Sources :
- Electricité de France/Division Ingénierie Nucléaire/SEPTEN- Protection des Systèmes Electriques. Jean-Michel HAURE - 2004
- Présentation INSA de Lyon en partenariat avec EDF/SEPTEN - juin 2004