La foudre est un phénomène naturel présent depuis la nuit des temps, partout dans le Monde et connu de tous. De plus, sa nature électrique fut prouvée en 1752 par Benjamin Franklin. Et c'est ce phénomène électrique qui va nous intéresser car en plus d'être magnifique, il est passionnant. Mais quelles  en sont les caractéristiques  et comment prévoir un impact de foudre? 
C'est à cette problématique que nous allons répondre au travers de notre blog qui répertoriera en plusieurs parties 3 caractéristique de la foudre et les régions à haute prévalence d'impact de foudre. Mais d'abord commençons par introduire le sujet avec : La formation de la foudre. ( second article )

Formation de la foudre

Formation d'un cumulonimbus

La foudre se forme lors d’orage dans des cumulonimbus, c’est-à-dire des nuages de la forme d'une enclume, prenant naissance dans la troposphère à 2 km du sol et dont le sommet peut se situer dans la stratosphère. Pour qu'un orage se forme, des masses d'air chaud humide du sol s'élève, ce sont des courants d'air chaud ascendant qui en montant dans le ciel se condense, créant ainsi des gouttelettes d'eau mais en montant l'air se refroidit et les gouttes d'eau se transforment en particules de glace ou grêle. Mais ces courants ascendants et descendants provoquent des turbulences et les gouttes d'eau et la grêle entrent en collision, s'arrachant des électrons par frottement. Le nuage est donc électrisé, mais la dissociation des charges dans le nuage génère un champ électrique intense entre le sol et la base du nuage. Quant à la terre, elle se charge par influence, c'est-à-dire que, quand le nuage chargé s'approche de la terre, les charges au sol se dissocient, la terre se charge du signe opposé au nuage car elles sont attirés et les charges de même signe sont repoussés. Quand le champ électrique atteindra le champ disruptif de l’air c'est à dire 3600 kV/m, il y a formation d'un éclair. Mais ces décharges électriques peuvent être de différent ordre : il y a les éclairs intra-nuageux ( à l’intérieur du nuage ) ; inter-nuageux ( entre deux nuages ) et entre le nuage et le sol appelé plus communément foudre.

Définitions : les cellules convectives sont un des éléments qui constitue les orages, en effet, les courants d'aire  ascendant ou masse d'air chaude qui montent , ces vapeurs se refroidissent pour devenir des courants descendent ou masse d'aire froide qui redescendent. Ces cellules convectives vont formé le nuage d'orage.

éclair nuage-sol ou foudre

Quand le champ électrique de l'air atteindra le champ disruptif de l'air, c'est-à-dire : 3600 kV/m, il y a apparition d'une décharge électrique. Mais concentrons nous plutôt sur la décharge nuage-sol ou plus communément appelé foudre. En effet, l'apparition de la foudre se fait en plusieurs étapes. D'abord, il y l'apparition du traceur, qui se déplace par bond, là où la résistance électrique est la plus faible et qui est un canal ionisé qui  est créé quand les électrons des molécules d'air sont arraché par une faible décharge électrique. Il est d'ailleurs dirigé vers la terre ( vers une charge opposé ). Le traceur précède la foudre, il est aussi appelé précurseur, car c'est par ce canal ionisé que passera l'éclair. Effectivement, quand le traceur atteindra le sol ou un objet pointu ( voir effet de pointe ), il y aura l'apparition d'un arc en retour qui est un puissant courant électrique qui remonte le canal, c'est ce courant électrique que l'on aperçoit lors de l'éclair.

Caractéristique de la foudre :

Effet de pointe

L'effet de pointe est un phénomène souvent observé, et permet d'expliquer pourquoi la foudre est attirée par les objets pointus. De plus, il a permis l'élaboration du paratonnerre, une protection contre la foudre. Nous allons donc étudier ce phénomène physique en profondeur pour mieux le comprendre.

Théorie :
Les objets pointus influencent le champ électrique à proximité. On peut l'expliquer par un exemple très simple : Tout d'abord, montrons pourquoi un objet pointu influence le champ électrique contrairement à un objet non pointu. Pour cela remplaçons ces deux objets par deux sphères, l'une plus petite de rayon R neutre ( objet pointu ) et l'autre plus grande de rayon 2R chargée d'une charge Q  ( objet non pointu ). Si on relie la grande sphère à l'autre plus petite par un fil conducteur elles se retrouvent toute les deux chargées au même potentiel électrique. Et pour cela, les électrons vont pousser et s'entasser dans la plus petite sphère, qui trouvera sa densité de charge beaucoup plus élevée et donc son champ électrique proche beaucoup plus intense. Si l'objet est une pointe, son champ électrique sera très intense jusqu'à dépasser le champ disruptif de l'air et voir ainsi ses électrons sortir hors de la pointe créant un vent de charge mais aussi ionisant l'air environnant, attirant la foudre.

Dans ce schéma, nous pouvons observer les lignes équipotentielles, entre le nuage et la Terre qui forme un système semblable au condensateur plan, se déformer à l'approche d'un objet pointu. Nous observons aussi les lignes de champs attirées par les charges négatives, perpendiculaire aux lignes équipotentielles, qui se concentrent donc vers la pointe chargée négativement créant ainsi un champ électrique intense. ( Pour une meilleur compréhension voir Champ électrique ). 

Pratique : 
Pour encore mieux comprendre ce phénomène nous avons mis au point une expérience démontrant l'effet de pointe. Pour cette expérience nous nous somme munis de la machine de Wimshurst, expliquons donc son fonctionnement :
Cette machine électrostatique permet de créer des arcs électriques, elle est formée de deux plateaux avec dessus des pastilles électriquement neutre qui en tournant à l'aide des plateaux se frotteront au balai métallique qui va soit donner ou prendre des charges électriques et ainsi charger la machine. Ces charges seront collectées par des peignes qui vont les envoyés dans des condensateurs qui les stockeront. Quand la tension des condensateurs sera suffisamment forte, les électrodes seront chargées en électron. Et il pourra avoir lieu un arc électrique entre les boules de l'éclateur.

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    








Photos de la machine de Wimshurst.

Protocole : 
Le but de cette expérience est de démontrer que la foudre, représentée par l'arc électrique, est attiré par des objets pointus. Nous avons donc filmé cette expérience.

Matériel :
- Machine de Wimshurst.
- Un objet pointu et métallique connecté à une prise terre.

Pour commencer nous avons actionné la machine de Wimshurst pour observer l'arc électrique  produit et dans un second temps nous avons mis à proximité de l'arc électrique l'objet pointu métallique. Nous avons observé que l'arc électrique est attiré par l'objet pointu métallique plutôt que par l'autre électrode. On peut donc en conclure qu'un arc électrique est bien attiré par les objets pointus.

Caractéristique de la foudre :

Le champ électrique

Pour étudier le champ électrique produit durant l'orage, nous avons mis en place un TP nous permettant de l'étudier.

Le sol horizontal et la base du cumulonimbus forment les armatures d’un gigantesque condensateur plan. Pour pouvoir étudier le champ électrique de la foudre en toute sécurité, nous pouvons étudier le champ électrique d’un condensateur plan  qui est un système comparable.

Définition :

Lignes (ou surface) équipotentielle : une surface où le potentiel électrique est le même. Elle est constante.

ligne de champ : donne l’allure générale d’un champ électrique sur un espace. Elle sont perpendiculaire aux équipotentielles. Elles représentent l’orientation du champ électrique d’un point. Elles sont produite par les charges positives et absorbées par les charges négatives.

Étude du champ électrique créé dans un condensateur plan :

But : Montrer les caractéristiques du champ électrique, existant entre les deux armatures du condensateur plan et déterminer les lignes équipotentielles ainsi que les lignes de champs.

Matériel :

- un cristallisoire ( pour remplacer la cuve rhéographique ) qui comporte une solution de sulfate de cuivre de concentration 0, 01 mol/L et deux plaques de cuivre rectangulaires chacune placées au bord opposé de la cuve.

- un voltmètre.

- Un fil conducteur ( cuivre ) qui servira de sonde.

- un générateur continu de 6V

- des câbles

- feuille de papier millimétré

- pinces crocodile 

Schéma :

Protocole :

• Faire le montage : Placez les plaques dans la cuve de manière à ce qu’elles touchent le fond et qu’elles soient disposées aux bords opposés. Reliez les plaques au générateur de tension continue ( 6V ) à l’aide de câbles ( borne positive au point A et borne négative au point B) . Reliez un câble à la borne V du voltmètre au point A et un autre câble à la borne COM à une sonde trempée dans la solution ( Point M non fixe ).
• Placer sous la cuve une feuille de papier millimétré ou sont placés deux axes orthonormés.
• Déplacer la sonde sur chacune des plaques et notez les observations.
• Déplacer la sonde perpendiculairement aux plaques ( + vers - ), que remarquez vous et notez les observations.
• Déplacer la sonde parallèlement aux plaques, que remarquez vous et notez les observations.

Questions :

1. Comment sont disposés les lignes équipotentielles par rapport aux plaques?

Les lignes équipotentielles se trouvant au centre du graphique sont parallèles aux plaques tandis que les autres sont seulement à la vertical comparé aux plaques.

1. De quoi dépend la différence de potentiel ou tension?

La différence de potentiel ou tension dépend des charges exercées par les plaques.

• Trouver un ensemble de points M qui vérifient U(AM) = constante = k, en trouver assez pour pouvoir tracer une ligne équipotentielle. Choisir 8 valeurs de U(AM) différentes pour tracer plusieurs équipotentielles.
• Calculez la différence de potentiel U(AM) = V(A) - V(M) pour 2 points de deux lignes équipotentielle différentes. Que constatez vous?

On prend deux points M de valeur 5V et 4V.

On remarque que plus le point M est éloigné plus la tension est forte. Donc U(AM) augmente plus on se rapproche de la plaque B.

• Munissez vous d’une feuille de papier millimétré et représenté : le fond de la cuve ; les plaques ; les 8 lignes équipotentielles.
• Représentez les lignes de champ ( perpendiculaire  aux équipotentielles et qui parte du + vers le -).

• Dans un graphique, représentez U(AM) (V) en fonction de AM (distance en cm ) sur les lignes de champs du milieu ( parallèles ). Trouvez l’équation de la fonction f(AM) ( U(AM)=f(AM) ). Indication : d (AM) comme x.
• Trouver la valeur du champ électrique E entre les plaques grâce à l’équation E= |U| / d. ( E en V.m-1 ; U en V ; d en m ).

On remarque que la droite obtenue est une fonction de la forme f( x ) = a*x et qu'elle est constante. Notons aussi que nos points ne sont pas exactement sur la droite mais ils en sont plutôt proche, ce résultat peut s'expliquer par la nature non précise de l'expérience. On remarque aussi que notre coefficient directeur a est égal à la valeur du champ électrique.

• Trouver théoriquement la valeur de la tension produite entre le nuage et le sol par temps d’orage.

Données : la base du nuage se trouve à 2 km du sol ; le champ électrique par temps d’orage est de 15 kV/m.

La tension électrique produite lors d'un orage entre le nuage est le sol est donc de 30 000 000 V.

• La foudre se forme quand le champ électrique atteint la valeur du champ disruptif de l’air. Calculez la tension produite par la foudre.

La tension électrique produite par la foudre est donc de 7 200 000 000V.

Données : valeur du champ disruptif de l’air : 3,6.106 V.m-1

Grâce à notre expérience nous avons pu déterminer le champ électrique d'un condensateur plan et quelques des caractéristiques du champ électrique, comme quoi ses lignes de champs évoluaient selon les potentiels décroissants ( du + vers le - ), que la droite U(AM) en fonction de d était constante et que le coefficient directeur de cette droite était égal au champ électrique du condensateur plan. Maintenant grâce aux mathématiques, nous essaierons de déterminer ce même champ électrique :

Définition :

Capacité électrique : c'est la quantité de charge électrique stocké par un condensateur.
Permittivité diélectrique :c'est le rapport entre l'intensité du champ électrique et le déplacement électrique dans un matériau.
Diélectrique : matériau non-conducteur.

Nous remarquons que notre résultat : 43,76 N/C, est proche du résultat de l'expérience : 40, 1 V/m-1 ( N/C est équivalent à V/m-1 ). Mais il n'est pas exactement le même, cela peut s'expliquer par le fait que l'expérience faite n'est pas très précise et ne permet donc pas d'avoir un résultat parfait. Le champ électrique du condensateur plan vaut 43,76 N/C. Essayons maintenant, à l'aide de la même méthode de montrer que lors d'un impact de foudre le champ électrique est bien de 3,6E6, qui est la valeur du champ disruptif de l'air :

Informations sur le cummulonimbus :

Longueur : 7000 m

Largeur : 5000 m

Distance entre le nuage et le sol : 2000 m

Nous remarquons que le résultat obtenu est identique à la valeur du champ disruptif de l'air c'est - à - dire au moment où le champ électrique est tellement intense qu'il y a l'apparition d'un éclair donc à la valeur du champ électrique de la foudre. Mais il faut savoir que nos résultats obtenus sont par une heureuse coïncidence identique grâce aux données utilisées et ces calculs et ces résultats ne sont pas des lois général et les résultats peuvent varier selon la taille du nuage, sa distance au sol ou même la tension qui y est produite.

Pour conclure, pour étudier le champ électrique lors d'un éclair ou impact de foudre, nous avons mis en place une expérience, mettant en action un condensateur plan qui est un modèle semblable à celui lors de la foudre, permettant de connaitre l'apparence global d'un champ électrique et grâce à des calculs nous avons pu en calculer la valeur selon notre cas.

Statistique

Nous voulons déterminer quand et où la foudre tombe le plus souvent et pourquoi. Pour cela nous nous somme aidé du site : Blitzortung, qui nous permet de répertorier le nombre de coup de foudre selon le continent voulu en temps réel. Mais aussi du site : infoclimat qui permet de connaitre en temps réel la température sur différent continents.

( Une capture d'écran du site blitzortung. )

( Une capture d'écran du site infoclimat. )

Nous avons donc durant une semaine, du 6 janvier 2015 au 12 janvier 2015, répertorié les différents coups de foudre selon la température présente lors du coup dans trois différents continents : Europe, Amérique du nord et Océanie. Voici nos résultats :

Pour une meilleur compréhension de ces tableaux et pour mieux les visualiser, on en a fait un diagramme en bâton regroupant les trois tableaux pour mieux les comparer :

On voit sur ce graphique et ces tableaux qu'en Europe la majorité des coups de foudre se trouvent dans des températures entre [0;5[, c'est la classe modale, en Amérique du nord la classe modale est [25;30[ et en Océanie la classe modale est aussi [25;30[. Nous allons rajouter la ligne des effectifs cumulés croissants pour faire la courbe des polygones cumulés croissants et on va ensuite calculer les moyennes, les quartiles, la classe médiane, la variance et l'écart-type de ces différentes série statistique :

Nous remarquons que pour l'Amérique du Nord et l'Océanie, les classes médianes qui séparent la série en deux partie égal se trouvent dans les température chaude : [ 25 ; 30 [, contrairement à en Europe où elle se trouve dans des températures plus froide : [ 0 ; 5 [. De plus, on voit que selon les moyennes de température, où il y a le plus de coup de foudre sont plus élevés, en Amérique du Nord : 27. 25 et en Océanie : 25.6, alors qu'en Europe elle est seulement de 4. 67. 

Traçons maintenant les courbes cumulée croissant :

L'écart-type permet de mesurer la dispersion des valeurs autour de la moyenne. On voit que l'écart-type de l'Océanie est plus grand que celui de l'Europe et L'Amérique du Nord qui sont assez proche : 2.5 et 2.7, donc les valeurs de l'Océanie sont plus dispersées et moins représentative de la moyenne contrairement à l'Europe et l'Amérique du Nord.

De plus, on remarque que le nombre de coup de foudre est plus grand plus il fait chaud, on le voit notamment à la moyenne. Ajoutons qu'il y a plus de coups de foudre en Amérique du Nord et en Océanie qu'en Europe, la température a donc un effet sur la quantité de coups de foudre. Nos résultats sont donc en accord avec la réalité puisque les climats chauds et humides sont favorable à l'apparition de coups de foudre mais comment expliquer la grande quantité de coups de foudre en Europe durant les températures froide. Et bien, proche du nord de l'Europe passe le Gulf Stream, un courant océanique, qui favorise les mouvements de masse d'air chaude qui sont favorable aux orages.

Distance d'un éclair

Calculer la distance d'un éclair

Il est possible de calculer la distance d'un éclair par rapport à l'endroit où l'on se situe grâce au son produit par l'éclair : le tonnerre. L'air proche de l'éclair se chauffe rapidement et brutalement et va donc se dilater et former ce que l'on appelle tonnerre. En effet, la lumière voyage plus vite que le son, et c'est grâce à la formule v = d/t que nous pouvons déterminer l'endroit approximatif d'un éclair par rapport à notre position.

La vitesse du son est égal à 340,29 m/s, il suffit donc de compter le temps qu'il y a entre la vision de l'éclair et l'arrivée du tonnerre et de les multiplier, ce qui nous donnera la distance d'un éclair par rapport à notre position. Prenons pour exemple :

Je vois un éclair et je veux estimer sa position par rapport à moi, il me suffit donc de compter le temps que prend le tonnerre à venir, il a pris 4 secondes, je vais donc multiplier cette donnée par la vitesse du son : d = v * t  ==>  d = 340, 29 * 4 = 1361,16 m.  L'éclair se situe donc à un peu près 1, 4 km de moi.

Conclusion

En conclusion, nous avons expliqué la formation d'orage et d'éclair nuage - sol ( foudre ) pour pouvoir introduire de nombreuses caractéristiques comme le champ électrique de la foudre qui suit le modèle d'un condensateur plan ou encore la modification de ce dit champ électrique à l'approche d'une pointe conductrice ou encore la relation entre son et distance qui nous permet de calculer sa position relative. De plus, il nous est possible de pouvoir connaitre les endroits où les impacts de foudre sont plus présent, grâce notamment à la température. Donc si nous résumons certaine caractéristiques de la foudre sont : l'effet de pointe, son champ électrique et sa relation son et distance et pour prévoir un impact de foudre une étude approfondis des mouvements de masse d'air chaude qui servent à la formation d'orage et les différente température nous permettent de connaitre approximativement quelles sont les endroits à risques. 

Sources

Bibliographie :

- La physique : évolution et enjeux.
- Maths programme 2011, 1er S édition Bordas.
- Physique-Chimie, 1er S, Hachette éducation.
- ENCYCLOPAEDIA UNIVERSALIS CORPUS 16, éditeur à Paris.

Webographie : 

- http://fr.wikipedia.org/wiki/Foudre
- http://www.reseau-canope.fr/tdc/tous-les-numeros/la-meteorologie/videos/article/comprendre-la-foudre.html
- http://www.ampere.cnrs.fr/parcourspedagogique/zoom/18e/machine/images/Bossert%20BUP%20696.pdf
- http://fr.wikipedia.org/wiki/Machine_de_Wimshurst
- http://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89lectrostatique
- http://www.ampere.cnrs.fr/parcourspedagogique/zoom/18e/machine/images/Bossert%20BUP%20696.pdf
- http://passion.astro.meteo.free.fr/orages/experience.php
- http://uel.unisciel.fr/physique/elecstat/elecstat_ch08/co/apprendre_ch08_04.html
- http://atsinfo.free.fr/meteo/foudre/index.html
- http://telcomtec.fr/champ-electrostatique.html
- http://www.univ-sba.dz/fsi/downloads/ETL437-Chapitre_5.pdf
- http://guy.vielh.free.fr/fiches/effet_pointe.htm
- http://www.masc.ulg.ac.be/fiches/FR/lepouvoirdespointes.pdf
- http://www.udppc.asso.fr/national/attachments/article/Arpenteur_du_web_Champ_Electrique.pdf
- http://www2.cndp.fr/secondaire/phychim/dossiers/exophys/exobacTS97-98/source/ch_cond2.pdf
- http://itarride.free.fr/2001-2002/TParchives/TPP2.htm
- http://www.cegep-ste-foy.qc.ca/profs/rfoy/capsules/lignes_champ.html
- http://www.jallu.fr/1re/TP/Physique%20TP9%201S.pdf
- https://lafoudretpe2007.wordpress.com/formation-de-la-foudre-et-ses-caracteristiques/
- http://beauet.e-monsite.com/pages/l-eclair.html
- http://www.passion-meteo.net/decouverte/les_orages1.htm
- http://www.chimix.com/an10/cap10/capes18.html
- http://maxime.burgonse.free.fr/Libre/protection.html
- http://www.surprises.ch/HT/annexes/05.pdf
- http://www.blitzortung.org/Webpages/index.php?lang=fr
- http://www.infoclimat.fr/cartes/observations-meteo/archives/temperature-sous-abri/7/janvier/2015/19h/europe.html
- http://fr.wikipedia.org/wiki/Orage
- http://tpefoudre-wimshurst.pagesperso-orange.fr/Phenomene_de_la_foudre.html
- http://www.meteolafleche.com/orage.htm
- http://profs.cmaisonneuve.qc.ca/svezina/nyb/note_nyb/NYB_XXI_Chap%202.8.pdf
- http://fr.wikipedia.org/wiki/Champ_%C3%A9lectrique