Formation d’un éclair

On soupçonne l’existence des éclairs ascendants depuis les années 1930, mais les caméras avec obturateurs* à très grande vitesse ont permis de démontrer leur existence. On observe qu’un éclair est déclenché par un autre éclair descendu d’un nuage à proximité. On pense que le premier éclair a provoqué une accumulation d’électricité au sommet d’une structure élevée et que cette charge est montée et est entrée en contact avec un nuage. Mais comment expliquer ce phénomène ? Il faut savoir tout d'abord que dans des conditions normales, c'est une charge négative qui domine au sol. Dans ces mêmes conditions, la différence de potentiel entre le sol et une altitude de 48 km est d'environ 300 000 V (soit 300Kv). De plus, le cumulonimbus qui est un nuage immense, se forme généralement lors d'instabilité atmosphérique, la base du nuage est chargée négativement, or lors de l'approche du nuage, les charges électriques entre la base du nuage et le sol sont de même signe donc elles se repoussent. Ainsi, le sol se charge positivement. Dans ce nuage qui est orageux, les courants d’air chauds concentrent les charges électriques négatives à la base. Il y a une différence de potentiel entre la base du nuage et le sol. Si l’accumulation de charges électriques est trop forte l’air, qui normalement est un isolent, se met à conduire l’électricité, il se forme alors un canal de quelques centimètres de diamètre le long duquel remonte un courant électrique très puissant : la foudre qui est une décharge électrique. Cette décharge produit la ligne de lumière de l’éclair, l'éclair étant le flash de lumière. Cependant, qu'est-ce ce qui est à l'origine de ces formations ? Dans un cumulonimbus, il y a des cristaux et des gouttes d’eau qui sont entraînés par des courants ascendants et brasés dans tous les sens. Entre 0 et -20 C°, les gouttes d’eau sont alors fondues et entrent en contact avec les cristaux, elles sont congelées instantanément, ce qui forme des « grains de grésille ». Ces grains prennent au fur et à mesure du volume, et lorsqu’ils sont trop lourds ils tombent. Ils percutent donc durant leur chute, d’autres grains de grésille mais aussi des cristaux. Lors de ces chocs, les grains de grésilles arrachent des charges électriques négatives aux cristaux : ce sont des électrons. Les grains de grésilles ceux chargent négativement alors que les cristaux deviennent positifs. Les grains de grésilles étant en train de tomber, et les cristaux étant entraînés par les courants ascendants vers le haut, cela entraîne que la base du cumulonimbus devient négative alors que le sommet devient positif. Par conséquent, il y a un excès de charges négatives d’un côté et un déficit de l’autre, mais entre les deux il y a une couche d’air isolante* empêchant le courant de passer. On pourrait représenter l'intérieur du cumulonimbus comme une pile électrique avec une zone positive sous la couche négative qui est supportée par les courants ascendants (voir schéma simplifié). Cependant, lorsque la différence de potentiel est trop élevée, le courant électrique commence à se faire un passage. Il se cherche un chemin en zigzaguant depuis les deux bornes du nuage, mais également depuis la base du nuage et du sol. L’air se ionise et cela forme des étincelles, ce sont des « précurseurs » appelés également « traceurs ». Or, lorsque deux de ses précurseurs se rencontrent un pont se forme le courant passe brusquement entre les deux bornes du nuage. Le passage des électrons crée un échauffement de l’air créant ainsi un éclair car les charges positives du sol empruntent le pont qui a été créé ce qui produit un arc électrique en retour étant l’éclair. L'éclair surchauffe l'air puis se dilate au point d'exploser. L'onde de choc crée le coup de tonnerre. En clair, lorsqu'un orage se forme, des potentiels électrostatiques* énormes transforment les nuages en « piles électriques». Même si l'air a des propriétés isolantes lorsque le potentiel généré par le nuage d'orage dépasse une valeur de 15 kV/m (soit 15 000 Volt), un « court-circuit » se produit et le nuage se décharge momentanément. Les précurseurs ont tendance à se rejoindre là où le trajet est le plus court et le moins résistant, c’est pourquoi la foudre tombe souvent sur les points les plus hauts. Cela est dû à la réaction du sol qui va concentrer les charges positives sur les objets pointus et élevés : c’est l’effet de pointe. Les objets du sol réagissent au fort champ électrique, ils envoient les décharges positives par un précurseur qui peut s’élever de un à dix mètres du sol. Ainsi, un précurseur va à une vitesse d’environ 200 km/h et la vitesse de l’arc en retour est d’environ 100 000 km/s. On estime qu'un nuage normal produit environ 2 éclairs par minute. Mais il y a des cas particuliers comme à la frontière entre Zambie et la République Démocratique du Congo où un orage peut en produire plus de 60 par minute. Il faut savoir que lors d’un éclair, tout le champ de vision s’illumine mais l’œil ne voit que la partie centrale de l'éclair, car c’est celle qui est la plus éclairée.

Charges électriques au sein du Cumulonimbus (schéma simplifié)