La foudre est un phénomène naturel qui se manifeste par le tonnerre et les éclairs.

C'est une décharge électrostatique qui intervient lorsque de l'électricité statique s'accumule entre plusieurs nuages d'orage ou entre un nuage d'orage et la terre.

La foudre frappe surtout les zones d'altitude et les objets proéminents. Le tonnerre, la sonorité produite par la foudre, peut soit résonner d'un craquement sec très intense, très court et très fort, si l'observateur est proche, soit gronder au loin avec des roulements longs dus au le son se réerbérant dans toutes sortes de chemins.

Elle présente de nombreux dangers : électrocution, incendie ou encore interférence électromagnétique nuisible aux avions et aux navires utilisant l'électricité. Des techniques plus ou moins efficaces permettent de prévenir et canaliser la foudre, afin de protéger les êtres vivants et les équipements.

Les nuages d'orage (cumulonimbus) créent les conditions météorologiques favorables à l'accumulation de charges électriques.

Ces conditions sont :

L'électrisation du nuage d'orage est basée sur les frottements qui séparent les charges et électrifient (comme lorsqu'on frotte un bâton plastique sur des poils) et sur deux phénomènes de transport : la gravitation et la convection pour concentrer ces charges comme une machine électrostatique géante.

L'air est un bon isolant avec une rupture de son isolation au delà de 30 000 Volts/cm par ionisation.

Ainsi des tensions énormes de dizaines de millions de volts peuvent apparaître entre le sol et les nuages.

Les gouttes de pluie, les grêlons et les particules de grésil (de petits grains de glace) tombent par gravité vers le bas du nuage sous les gouttes d'eau de taille inférieure. Pendant ce déplacement vers le bas, il y a collision entre les grains de glace. Les grains se chargent négativement ou positivement selon la température. Comme les grains tombent plus rapidement que les cristaux, ils transportent, depuis le haut du nuage, des charges négatives vers le bas.

Il y a convection quand les ions libres dans l'atmosphère sont captés par les gouttelettes dans le nuage et lorsqu'ils sont ensuite transportés dans le nuage, produisant ainsi les régions chargées. Des éléments dans le ciel et sur terre entrent en jeu :

Une réaction en chaîne se produit par l'excitation et la collision des électrons proches. Ensuite, les ions positifs sont entraînés par l'air chaud et s'élèvent par convection. Ils participent ainsi à l'électrisation du nuage.

Lorsque les tensions électriques entre les nuages et le sol dépassent des dizaines à centaines de millions de volts, des décharges commencent à essayer de se faufiler. Ces décharges partent en général du nuage et vont vers le sol, et sont attirées de préférence vers les zones hautes et conductrices du courant, comme les métaux, parapluies, paratonnerres, grands immeubles, églises ou montagnes. Ces décharges ionisent alors l'air sur leur chemin au hasard et créent des canaux d'air ionisé conducteur pouvant atteindre les 200 km/s.

En quelques dizaines de microsecondes, ces canaux vont neutraliser les charges du nuage avec des courants électriques très forts et très rapides, pouvant atteindre les 100 000 km/s. Ces courants sont si intenses que l'air surchauffe à 10 000°K (degrés Kelvin). Ils sont alors très lumineux, se dilatent et éclatent avec un coup de tonnerre.

La foudre s'accompagne d'une onde acoustique, le tonnerre.
Cette onde est engendrée par la brutale dilatation de l'air surchauffé par l'arc électrique.

Les vitesses respectives de la lumière et du son permettent un bon calcul approché de la distance en kilomètres de l'orage. Il faut diviser par trois le nombre de secondes qui séparent la vision de l'éclair lumineux du bruit du tonnerre. Par exemple, si vous comptez 10 secondes avant d'entendre le tonnerre, l'éclair est tombé à peu près à 3 km de vous.

On entend toujours le tonnerre après avoir vu l'éclair, car la lumière (~ 300 000 000 m/s) va beaucoup plus vite que le son (~ 340 m/s).

Ainsi, à plus de 6 km le tonnerre ne s'entend quasiment plus (environ 18 secondes comptées entre l'éclair lumineux et le son entendu), mais les éclairs peuvent être vus à plus de 50 à 100 km en silence.

Exemple :

La vitesse du son est de 340 mètres à la seconde, ainsi, si le bruit vient 1 seconde après l'éclair, cela signifie que l'éclair est à 340 mètres.

Tableau des distances

Il y a en moyenne 2000 orages dans le monde entier à chaque instant. Ces orages produisent entre 30 et 100 éclairs par seconde, donc environ 5 millions d'éclairs par jour.

Les dangers de la foudre sont :

Il existe différents systèmes de détection de la foudre : le moulin à champ, un réseau d’antennes réceptrices, un système mobile avec une seule antenne directionnelle ou la détection par satellite artificiel. Les services météorologiques suivent les orages pour prévenir les populations.

Une des méthodes de protection est de faciliter la circulation des charges électriques vers la terre au moyen de paratonnerres. Un bon dispositif extérieur de protection d'une installation contre la foudre est constitué de trois composantes : un dispositif de capture, une bonne prise de terre et des conducteurs de descente, qui assurent la jonction entre le dispositif de capture et la prise de terre.

Ainsi on dévie la foudre vers ce chemin en protégeant les zones voisines en dessous.

Un vieux rêve est de récupérer l'énergie de la foudre pour s'alimenter en électricité. Une telle récupération de l'énergie des éclairs est toujours apparue impossible, car le phénomène est trop ponctuel et sur une faible durée. Si cette énergie était récupérée et partagée, chacun obtiendrait par an, l'équivalent de trois heures d'utilisation d'un four1.

Pour les Romains de l'Antiquité, la foudre est un prodige. La foudre tombant dans la journée, serait une manifestation de Jupiter ; la foudre tombée pendant la nuit serait due au dieu Summanus, qui envoie des éclairs nocturnes. Les hommes devaient répondre à ces manifestations divines en exécutant un rituel destiné à apaiser la colère des dieux. Les Romains pratiquaient le fulgum conditum, c'est-à-dire l'enterrement de la foudre2.

Les participants récoltaient les débris de ce qui avait été frappé par la foudre : arbre, édifice, corps humain, etc. Puis ils les mettaient soigneusement dans une fosse qu'ils recouvraient d'un petit monticule. Ils chantaient des chants funèbres. Le tout se faisait sous la supervision des haruspices ou d’un pontife.