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La foudre et les éclairs
Les électrométéores

Aperçu
La foudre est une décharge électrique qui échauffe l'air à plus de 30 000°C, et qui se produit au sein des nuages, ou depuis un nuage et le sol, et qui se manifeste d'une façon constante par des effets lumineux, les éclairs, par des effets sonores, le tonnerre, et par des effets variables du même genre que ceux que les fortes étincelles électriques produisent, effets physiques, chimiques, mécaniques, etc. La foudre en boule et les feux de saint-Elme sont des phénomènes plus singuliers et moins violents, mais qui impliquent de la même façon l'électricité atmosphérique. On les range, avec la foudre proprement dite, dans la catégorie des électrométéores.

La foudre, qui est l'une des caractéristiques des orages est l'un des phénomènes les plus énergétiques que l'on connaisse sur notre planète. On en a également vu ailleurs, sur Jupiter notamment, où l'ampleur du phénomène est encore plus considérable.
 


Mise en ordre
Les éclairs

L'éclair est la manifestation lumineuse de la foudre, dont le tonnerre est la manifestation sonore. C'est un phénomène hautement énergétique (plusieurs dizaines de milliers de mégawatts libérés), causé par l'apparition de  masses nuageuses de charges électriques opposées, séparées par des différences de potentiel de l'ordre de plusieurs dizaines de millions de volts, au moins. La présence de nuages paraît, de fait, indispensable; mais on notera que les nuages formés par la condensation de la vapeur d'eau ne sont pas les seuls qui produisent la foudre; les nuages de cendres qui accompagnent souvent les éruptions volcaniques sont souvent le siège de violents orages; des éclairs dits volcaniques ou éruptifs apparaissent à l'occasion des décharges électriques  qui parcourent les nuages de cendres soufflés en altitude. Cette séparation des charges peut avoir lieu à l'intérieur d'un même nuage. On assistera alors à un éclair intranuage. Elle peut avoir lieu d'un nuage à l'autre, chacun portant une charge distincte. Ce qui donnera lieu à un éclair internuages. Dans un tiers des cas, environ, l'éclair répond seulement à la différence de potentiel entre le nuage et la surface de la Terre; on parle alors de coup au sol.
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Arago, qui a publié en 1837 une importante notice sur la foudre, distinguait les éclairs en trois classes : les éclairs en zigzag et les éclairs en nappe, qui correspondent aux éclairs généralement observés, et les globes de feu. Aujourd'hui, on distingue encore trois catégories d'éclairs. Les premiers sont ceux qui correspondent à la première classe d'Arago, et qui sont des décharges entre un nuage et le sol. On considère ensuite les éclairs qui peuvent également être assimilés pour une large part à la deuxième classe d'Arago et concernent principalement les éclairs en nappe. Ceux-là, au lieu d'être concentrés dans des traits sinueux très minces, embrassent au contraire d'immenses surfaces; ils n'ont ni la blancheur ni la vivacité des éclairs de première classe. Parfois ils n'éclairent que le contour des nuages, tantôt ils en embrassent toute la surface, paraissant même parfois sortir de leur intérieur. On range enfin, depuis les travaux photographiques de Trouvelot (1888),  dans une troisième classe les éclairs qui, comme les précédents n'atteignent pas le sol, mais se présentent sous la forme de multiples ramifications. Les globes de feu, qui ne sont pas à proprement parler comme des éclairs sont rangés à part.
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Répartition annuelle de la foudre. Chaque seconde, 
cent éclairs frappent le sol quelque part sur la planète...
(Source : NASA, GHCC / Lightning Distributions).
Les éclairs en zigzag qui apparaissent sous forme d'un sillon de lumière très resserré, très mince, très arrêté sur les bords; ils sont de couleurs variées : on en a vu de purpurins, de violacés, de bleuâtres. A la fin du XIXe siècle, Kundt et Vogel, qui ont examiné la lumière des éclairs au spectroscope, y ont parfois reconnu la présence de raies dues à l'oxygène et à l'azote de l'air. Les éclairs ne suivent nullement la ligne droite : non seulement ils vont en zigzag, mais souvent même ils semblent rétrograder. Ce phénomène, rare d'ordinaire, est très fréquent au voisinage des volcans. Hamilton décrit ainsi des éclairs qui ont accompagné l'éruption du Vésuve de 1799 : ces éclairs volcaniques abandonnaient très rarement le noir nuage de cendres qui s'avançaient vers la ville de Naples; ils retournaient vers le cratère du volcan et rejoignaient la colonne ascendante enflammée d'où originairement on les avait vus sortir. D'Abbadie, en Éthiopie, a vu des éclairs en forme de V jaillir entre deux nuages. Assez souvent les éclairs se bifurquent en deux, plus rarement en trois traits lumineux. La longueur des éclairs est très variable; elle dépasse parfois une dizaine de kilomètres; il est facile de l'estimer en déterminant sa distance obtenue, en multipliant par 340 (valeur de la vitesse moyenne du son dans l'air) le nombre de secondes qui s'est écoulé entre l'apparition de l'éclair et le bruit du tonnerre et en mesurant l'angle que sous-tendent ses extrémités.
Les effets de la foudre.
1°) Effets physiques. La foudre opère souvent la fusion des pièces de métal qu'elle va frapper; on en trouve de nombreux exemples dans les relations d'orages; souvent, après un coup de foudre, les objets métalliques présentent des traces de fusion sans que les objets voisins soient altérés; aussi Benjamin Franklin avait-il émis l'idée, abandonnée aujourd'hui, que la foudre avait la propriété d'opérer des fusions froides! Souvent la fusion est superficielle; parfois, la quantité de matière fondue est importante; ainsi le paquebot le New-York reçut, le 19 avril 1827, un coup de foudre qui fondit son paratonnerre sur une longueur de 30 centimètres; son diamètre était à la base de 6 millimètres. En même temps, la chaîne de ce paratonnerre, formée avec des fils de fer de 6 millimètres de diamètre, fut fondue sur une longueur de 39 m. Quand la foudre est trop faible pour produire la fusion, elle détermine souvent le raccourcissement des parties métalliques qu'elle a traversées; lorsque des fils métalliques sont tendus entre deux points fixes, ce raccourcissement a pour effet de rompre ces fils. Les métaux ne sont pas les seuls corps éprouvant ces phénomènes, bien que la foudre les frappe souvent; on a constaté l'existence de nombreuses fulgurites; ce sont des cylindres irréguliers presque toujours creux que l'on trouve dans le sable disposés à peu près verticalement; la paroi intérieure est un verre très uni; la croûte extérieure est composée de grains de quartz agglutinés. On en a trouvé ayant plus de 10 m de longueur. On admet qu'ils sont produits par la foudre traversant le sable; on en a trouvé aux pieds d'arbres ou d'hommes foudroyés. On a de nombreux exemples de coups de foudre aimantant des barres d'acier et les pièces en fer des chronomètres ou changeant le magnétisme des boussoles sur les navires.

2°) Effets mécaniques. La foudre perce souvent les murailles, quelquefois les vitres, lorsque ces matières, mauvaises conductrices, se trouvent séparer des parties métalliques qui offrent au fluide électrique un passage facile; plus rarement, elle perce des trous dans les feuilles métalliques (tôles de girouette, toitures de zinc, etc.). Très souvent, les matières mauvaises conductrices sont projetées au loin :
« Une roche de micaschiste de 32 m de long sur 3 m de large et 1,20 m d'épaisseur fut, raconte un témoin, brisée en trois fragments dont un ne fut pas projeté; une autre de 8 m 50 de long, 2,10 m de large et 1,20 d'épaisseur fut lancé par-dessus un tertre à la distance de 45 m; la troisième de 12 m de long fut projetée à une distance plus grande et tomba dans la mer. »
Près de Manchester, le 6 août 1809, un coup de foudre transporta, sans le renverser, un mur de brique pesant 26 kilogrammes à une distance d'environ 2 m.

3°) Effets chimiques. On a montré que l'étincelle électrique, passant dans l'air, donne avec l'azote et l'oxygène qu'il contient, de l'acide hypoazotique; la foudre peut produire le même effet; elle peut aussi transformer l'oxygène en ozone. Mais on n'a pas constaté ces effets d'une façon nette; on a souvent perçu après les coups de tonnerre une odeur sulfureuse (!) parfois assez forte pour produire la suffocation. D'autres personnes ont comparé cette odeur à celle du phosphore (la présence de l'ozone serait alors la cause de cette odeur) ou à celle de l'acide hypoazotique.

4°) Effets physiologiques. La foudre produit, sur les êtres vivants qu'elle frappe, des effets mécaniques considérables; quelquefois, les empreintes de la foudre ne sont que superficielles et se réduisent à des ecchymoses; d'autres fois, les os eux-mêmes sont brisés. Souvent les vêtements de l'individu frappé prennent feu. Un caractère important de la mort par la foudre qui intéresse la médecine légale est le magnétisme intense que prennent les couteaux, les aiguilles, les outils d'acier que peuvent porter les personnes foudroyées. Les coups de foudre qui ne déterminent pas la mort produisent souvent des paralysies partielles, en général peu persistantes. Un autre effet remarquable est de détruire absolument la pilosité sur le corps : le capitaine de frégate Rihouet, qui fut atteint par la foudre sur son vaisseau le 22 février 1812, perdit à jamais ses cheveux, ses cils, ses sourcils, tous ses poils, et les ongles de ses mains s'en allèrent par écailles l'année suivante. On cite encore un jeune homme qui, sans avoir été foudroyé, s'était trouvé près du passage de la foudre, et qui resta ensuite complètement épilé. Arago cite divers cas où des personnes frappées de la foudre éprouvèrent, après la guérison des accidents passagers qui les avaient atteints, une amélioration de leur santé (suppression de rhumatismes, etc.), mais peut-être, simplement, après l'épreuve qui les avait frappés hésitaient-ils désormais à se plaindre... Le même Arago a vu un peuplier, foudroyé au milieu d'un grand nombre d'autres, acquérir après la chute de la foudre un développement très remarquable par rapport aux arbres voisins dont il avait auparavant les dimensions.
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Éclairs extraterrestres

Le premières indications d'éclairs dans l'atmosphère d'une autre planète sont venues de Vénus, en 1978. A l'époque, les instruments des sondes Vénéra 11 et 12, entrées à quelques jours d'intervalle dans l'atmosphère vénusienne (L'exploration in situ de Vénus), ont détecté entre les altitudes de 30 et de 2 kilomètres de nombreuses impulsions électromagnétiques apparemment causées par une longue rafale d'éclairs. Venera 12, parvenue au sol, captera même un long ébranlement qui sera interprété par certains chercheurs comme l'effet d'un immense coup de tonnerre. Cependant, les caractéristiques des composants de l'atmosphère de la planète mettaient en difficulté pareille explication, du moins s'il devait s'agir d'un orage analogue à ceux que l'on observe ordinairement sur Terre. Aussi certains astronomes ont-ils émis l'hypothèse qu'il puisse plutôt s'agir d'éclairs éruptifs. Vénus, la planète aux 500 000 volcans, serait-elle actuellement en phase active? Des études ultérieures n'ont pas pu confirmer ce point. Au contraire beaucoup de raisons suggèrent que les volcans vénusiens sont éteints depuis longtemps. Et même si la question ne peut pas être considérée comme complètement tranchée, on pense plutôt aujourd'hui que les supposés éclairs n'en étaient pas, et que les signaux électromagnétiques étaient seulement l'effet du bombardement de la haute atmosphère vénusienne par le vent solaire.-


Éclairs au coeur d'une tempête, 
observés sur Jupiter en décembre 2000.
(Source : ESA , Crédit : NASA / JPL).
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La situation s'avère plus favorable dans le cas des planètes géantes. Des phénomènes radioélectriques analogues à ceux détectés sur Vénus, et peut-être cette fois attribuables à de la vraie foudre, ont été ainsi détectés sur Saturne, Uranus et Neptune. Mais c'est  dans l'atmosphère agitée de Jupiter que des éclairs ont été observés de façon bien plus certaine, aussi bien par la sonde Galileo (L'exploration in situ de Jupiter), que plus récemment par la sonde Cassini-Huygens en route vers Saturne. Ces éclairs, que l'on suppose formés à partir de nuages contenant des particules de glace d'eau, sont comme sur Terre associés à des perturbations atmosphériques importantes. Certains de ces orages s'étendent sur plusieurs centaines de kilomètres, et donnent lieu à des éclairs beaucoup plus lumineux que ce que nous connaissons sur notre planète. Et, convenons que l'on aurait été bien frustrés s'il en avait été autrement, si la planète qui porte le nom de l'ancien dieu de la foudre n'avait pas donné la place qui lui revient à genre de manifestation...
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La foudre en boule

On désigne sous le nom de foudre en boule, de foudre globulaire ou de globe de feu, un phénomène lumineux, d'origine électrique, certainement de la même nature que les éclairs, qui paraît en l'air sous la forme des globes de couleur variable depuis le blanc mat jusqu'au rouge vif. Ces globes que les observateurs ont comparé parfois à une orange ou à la Lune, mais avec des contours indécis, ont de quelques centimètres à quelques décimètres de diamètre.  Ils apparaissent presque toujours à la suite d'un coup de tonnerre; ils se déplacent lentement et  erratiquement. En avançant à proximité du sol, ils restent toujours écartés de la surface des corps et ne semblent émettre aucune chaleur. On les voit s'arrêter un instant, avancer de nouveau, puis rebondir comme une balle élastique. 
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Un globe de feu sème la panique dans une maison...
(Source : The Aerial World deG. Hartwig, 1886; NOAA Photo Library).

Quelques fois encore, a-t-on dit, ces globes, semblaient s'éteindre en tombant, puis se rallumaient après avoir émis beaucoup de vapeur et de fumée. On les a aussi vu se diviser en globes plus petits. Souvent, à la fin de leur course, une aigrette paraissait en sortir, ou bien des étincelles et des flammes s'en échappaient dans toutes les directions. A d'autres occasions (s'il s'agit toujours du même phénomène), ils montrent une grande rapidité de leur mouvement qui leur  donne l'apparence d'une queue lumineuse. On a aussi remarqué que parfois ces globes sont suffisamment brillants pour projeter des ombres en plein jour. Selon les descriptions, le phénomène se termine généralement par une explosion. La boule se boursoufle et éclate avec un bruit comparable à celui du canon, lançant de tous côtés des éclairs en zigzag qui produisent de gros dégâts.

Emmanuel Liais, à qui l'on doit quelques belles descriptions d'orages observés lors de son séjour au Brésil, au milieu du XIXe siècle, rapporte qu'il remarqua lors d'un de ces orages une courbure de l'extrémité des éclairs arborescents, et une tendance encore plus marquée à se terminer en boules de feu. Trois fois ces boules se détachèrent en laissant une traînée lumineuse, comme un bolide, et en parcourant 13 degrés sur le ciel en une demi seconde. L'image ci-dessous, plus contemporaine, représente une situation apparemment similaire à celle qu'observa le météorologiste : 
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Boules de feu sur Boston. (Source : NOAA Photo Library).

La foudre globulaire est un phénomène tellement rare que l'on a parfois mis son existence en doute. Les physiciens tendent cependant à prendre aujourd'hui au sérieux les quelques témoignages et photographies qui existent, mais ne parviennent toujours pas à le reproduire en laboratoire et hésitent encore à en donner une explication. Il est vrai aussi que les anciennes descriptions de ces phénomènes sont en général peu fiables. On a couramment confondu la foudre en boule, phénomène lié à l'électricité atmosphérique, et les bolides (Les étoiles filantes), qui sont issus de météoroïdes, c'est-à-dire des cailloux venus de l'espace, et qui sont fortement chauffés lors de leur entrée dans l'atmosphère, mais qui partagent avec les précédents certaines caractéristiques,  telles que l'explosion finale. Témoin de cette méprise, cet exemple rapporté en 1780 par Brisson  : 

«  Il en parut un de cette espèce à Paris, le 17 Juillet 1771, à 22 h 30 du soir, le ciel étant très serein. Sa lumière fut fort vive, et à peu près semblable à celle que fournissent les grosses fusées à étoiles. Elle dura quelques secondes, et prit, vers sa fin, une teinte de jaunâtre. Ce globe de feu paraissait aux yeux avoir un pied de diamètre, et son mouvement progressif se fit du nord-ouest au sud-est. Il parut avoir une queue de quelques pieds de long : Ce météore fut suivi, environ deux minutes après son apparition, d'un bruit en tout semblable à celui du tonnerre; ce qui prouve qu'il éclata à environ 9 lieues de distance. Une preuve que ce feu est réellement de la nature des éclairs, c'est qu'il, fait entendre le bruit du tonnerre. Il faut qu'il ait été à une grande hauteur dans l'atmosphère; car on l'a aperçu, non seulement en plusieurs endroits des environs de Paris, mais encore jusqu'à Lyon autres lieux adjacents.  »


Le Feu de Saint-Elme

Le feu de Saint-Elme, ou feu Saint-Elme se manifeste par des aigrettes lumineuses verdâtres ou violacées, parfois de grande dimension, qu'on voit briller la nuit, en temps d'orage ou de tempête, aux pointes des mâts et des vergues ou le long des cordages. Les Anciens, à l'instar de Tite-Live, qui rangeait le phénomène parmi les faits extraordinaires (prodigia),  appelaient Castor et Pollux une aigrette double, qu'ils considéraient comme de bon augure; une flamme simple était pour eux un mauvais présage et ils l'appelaient Hélène, d'où le nom de feu « Sainte-Hèlène », qui s'emploie encore parfois. Au Moyen âge, c'était le feu « Saint-Erasme », que les marins italiens appelèrent Eramo, puis Ermo et Elmo. On sait que saint Erasme était, dans les idées des chrétiens du Moyen âge, un des quinze grands protecteurs de l'Occident (Le Livre des Prodiges, de Conrad Lycosthène). Ce phénomène correspond à une décharge électrique, et s'explique facilement par la propriété qu'ont les pointes de laisser échapper l'électricité sous la forme visible d'une aigrette, lorsque le champ électrique devient fort dans leur voisinage. Il se manifeste souvent ailleurs que sur mer, par exemple aux sommets des toits et des arbres, aux pointes des rochers, à l'extrémité des ailes des avions, parfois même au bout des brins d'herbe, voire, selon les anciens auteurs, à la pointe des lances d'armées en marche... 
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Feux de Saint-Elme autour d'une maquette d'avion.
(Source : université de Melbourne / École de Physique).

De Forbin donnait en 1696 la description suivante de ce phénomène : 

« Le ciel, dit-il, se couvrit tout à coup d'épais nuage. Craignant  un coup de vent je fis carguer toutes les voiles. II y avait plus de  trente feux de saint-Elme sur le navire; l'un d'eux occupait la girouette du grand mât et avait environ 5 décimètres de long. J'envoyai un matelot pour le chercher. Quand il fut en haut, il entendit un bruit semblable à celui que fait en  brûlant de la poudre humectée. Je lui ordonnai d'enlever la girouette; A peine eut-il exécuté cet ordre que le feu la quitta et se plaça à l'extrémité du grand mât, d'où il fut impossible de l'enlever. Il y resta assez longtemps et disparut peu à peu. L'orage se termina par une pluie qui dura plusieurs heures. »
Les esprits rouges et les elfes bleus...

Des flashes apparaissant au-dessus des nuages pendant les orages ont été signalés de longue date par les pilotes d'avions, mais ils n'ont commencé à être pris en considération par les scientifiques qu'à partir de 1989, quand des chercheurs de l'université du Minnesota en ont filmé accidentellement. leur étude systématique n'a réellement commencé qu'en 1994. Assez peu lumineux, ces esprits rouges (red sprites) sont difficiles à observer à l'oeil nu, et pratiquement invisibles depuis le sol, notamment à cause de l'interposition de couverture nuageuse. En tout état de cause leur observation exige une vision accoutumée à l'obscurité et ne peut s'effectuer que loin de l'éclairage urbain. Toutes ces complications expliquent la découverte récente des esprits rouges, bien qu'ils ne soient pas véritablement rares. Il y aurait un esprit rouge pour deux cents coups au sol. 


Esprit rouge photographié le 13 juillet 2004 au-dessus de l'Afrique 
par l'instrument ISUAL (Imager of Sprites and Upper Atmospheric Lightning), 
embarqué à bord du satellite ROCSAT-2.(Image : ©Stephen Mende/UC Berkeley).

On sait aujourd'hui qu'ils se forment au sommet des nuages d'orages et montent très haut dans l'atmosphère (parfois jusqu'à 90 km d'altitude). Ce sont flashes de quelques millisecondes de durée et de couleur caractéristique. A leur base, un autre phénomène est parfois observable, sous la forme d'une colonne lumineuse, plus ou moins ramifiée, de couleur bleue ou verdâtre) également signalé par les pilotes, avant que leur existence ne soit admise par la communauté scientifique. Ces elfes bleus (appellation non garantie!) sont des décharges électriques ascensionnelles, que l'on pourrait comparer à des "éclairs à l'envers". Ils montent vers la stratosphère, voire l'ionosphère, à des vitesses de l'ordre de cent kilomètres pas seconde.  On a également rapporté en ces occasions de brusque émissions de rayonnement gamma (>1 MeV) détectés par l'observatoire spatial Compton-GRO. 
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Un autre esprit rouge. (Source : Université de l'Alaska à Fairbanks).


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