II) De la formation du nuage orageux a l’électrisation de la foudre

Avant de commencer, voyons les définitions : les différents termes ci-dessous sont souvent confondus par certain d’entre nous :
Orage : Perturbation atmosphérique violente accompagnée de pluie, de vent, d’éclairs et de coups de tonnerre.
Foudre : Décharge électrique qui se produit par temps d’orage entre deux nuages ou entre un nuage et le sol, accompagnée d’une vive lumière (éclair) et d’une violente détonation (tonnerre).
Eclair : Brève et vive lueur sinueuse et ramifiée, produite lors d’un orage par une décharge électrique entre deux nuages chargés différemment ou entre un nuage et la terre.
Tonnerre : bruit de la foudre accompagnant l’éclair (perçu plus ou moins longtemps après lui et plus ou moins violent selon l’éloignement du phénomène par rapport à l’observateur.)

A) Formation du nuage orageux

1) Le phénomène de convection

Tout d’abord la formation de la foudre commence par la formation d’un orage nuageux. Pour que ce nuage se forme, il y a ce que l’on appelle, un phénomène de convection.
Le principe de ce phénomène est, qu’il y a une montée d’air chaud et la descente d’air froid, due à leur densité respective. En effet, l'air chaud étant plus dense que l'air froid, il prend donc de l'altitude alors que l'air froid en perd. Ainsi l'air chaud et humide se refroidit en montant et formant de même des gouttelettes d'eau ou de cristaux de glace.
Ce phénomène de convection est donc un brassage d'air qui forme le nuage d'orage.

Source : http://perso.wanadoo.fr/aurelielem/Mouvement_electrique.htm

2) Du cumulus humilis au cumulo nimbus

C'est ainsi qu'on peut assister à deux nuages différents :

-le cumulus humilis (dont le sommet atteint les 1000m)

le cumulus médiocris ( son sommet atteint les 6000m )

La prochaine etape du nuage est la montée en altitude :
les mouvements de convections (montée d'air chaud / descente d'air froid) vont faire en sorte que le sommet du nuage monte jusqu'à environ 10000m (soit la tropopause).

A cette altitude il n'y a plus de courants ascendant et par la même occasion , formation de cumulo nimbus.

Le cumulo-nimbus

Le cumulonimbus est le nuage à l’origine de la formation des orages électriques. Il est facilement reconnaissable au loin de par sa forme d’enclume. A l’intérieur, il y a présence de gouttelettes d’eaux en suspension, des molécules de dioxygène, des fragments de glace, des grêlons et de multiples poussières notamment issues de la pollution humaine.

*Mécanisme d'électrisation

Dans le cumulo nimbus, les vents ont une vitesse d’ à peu près 100km/h. Les brassages d'air internes au nuage font en sorte que les particules d'eau se chargent electriquement. Les particules d'eau lancées par la vitesse du vent s'entrechoquent entre elles, et ainsi les grosses particules arrachent les electrons aux plus petites particules et se chargent donc negativement ce qui les rend plus lourdes. La repartition des particules forme la repartition des charges dans le nuage : les grosses particules chargées negativement sont plus lourdes et donc vont se positionner à la base du nuage et les petites particules chargées positivement vont se situées au sommet car elles sont plus legères.

Note : Les frottements, ou les chocs entre particules d’eau s’appellent en fait l’électrification statique. L’électrification statique de plusieurs particules est un échange d’électrons entre ces particules. La principale conséquence est alors que le complexe formé par les particules n’est plus électroniquement neutre, il se forme des charges électriques.

Certaines particules sont plus ou moins électronégatives (gain d’électrons, les grosses particules) tandis que d’autres sont plus ou moins électropositives (perte d’électrons, les petites particules).
Ceci est actuellement l’hypothèse la plus plausible concernant ce phénomène, mais n’oublions pas que le processus d’électrification dans les nuages reste très mal connu.(Cela ne fait que depuis près de 250 ans que l'Homme sait que la foudre est un phénomène électrique).

B) La Foudre et sa formation

Au debut de l'orage, il y a formation d'éclair dits "Intra-nuageux" (C'est à dire à l'interieur du nuage).En effet les échanges d'électrons au sein même du Cumulo nimbus , entre la base (negatif) et le sommet (positif), forment ces eclairs.
Ces éclairs representent 80% des eclairs formés lors d'un orage.
Par la suite nous entrons dans une phase dite "Active".
C'est durant cette phase que les fameux eclairs entre le nuage et le sol apparaissent.

Pour expliquer les éclairs entre le nuage et le sol, il faut connaître la charge électrique du sol :
Les charges négatives du nuage repoussent les charges négatives du sol, ce qui entraîne un appauvrissement local des charges négatives au sol : le sol se charge alors positivement.
C'est le phénomène d'influence .
La base du nuage étant négative et le sol positif , les coups de foudre peuvent donc se produire.

Par ailleurs, la formation des cumulonimbus nécessite que l’atmosphère soit instable. En effet, ces formations sont dus aux courants d’air ascendants provoqués par la différence de température entre l’air près du sol et l’air en altitude. Durant l’hiver, la différence de température n’est pas assez grande pour causer cette instabilité. Il n’y a donc pas formation de cumulonimbus pendant la période hivernale. C’est la raison pour laquelle il n’y a pas d’orages électriques l’hiver.

*Champ électrique

En temps normal, le champ électrique au sol est d’environ 120V/M.
Par temps d'orage, ce même champ électrique peut atteindre les 15 à 20 KV/M, et ce champ électrique est encore plus accentué lorsque l’on est en présence d'obstacle pointu et en hauteur. (Exemples : arbres ; toit d'église ; etc.)
Ce phénomène d'accentuation est appelée couronne et favorise l'impact de la foudre à cet endroit.

*Les differents types de foudre

On distingue 4 types d'éclair différents lors d'un orage:

- Les éclairs intra-nuageux. Les plus nombreux coups de foudre sont les échanges de foudre à l'intérieur. Comme on l’a déjà mentionné, ils représentent de 80% des décharges produites dans un orage.

- Les éclairs entre deux nuages.

- Le feu de St Elme. Parfois, quand l'accumulation des charges opposées est insuffisante pour déclencher un coup de foudre, une quantité d'étincelles bleues apparaissent en hauteur au sommet d'objets pointus à l'extrémité du nuage d'orage. Ce phénomène, remarqué très tôt au bout des vergues et en haut des mâts des navires, fut appelé feu Saint-Elme.

-Les coups de foudre. Etude en détail :

Définition :
Tout d’abord, il faut savoir que les traceurs (ou précurseurs), qui sont à l’origine des éclairs, sont présents lorsqu’ il y a des charges qui partent du nuage ou du sol et se propagent vers le sol ou vers le nuage, par bonds successifs de quelques dizaines de mètres en créant un canal ionisé (conducteur) faiblement lumineux)
Quelques chiffres : Les durées approximatives sont alors en général d’ 1 µs pour une descente et de poses de l’ordre de 500 ms entre les bonds. De plus, le traceurs apporte au sol une quantité de charges négatives de d’environ 10 Coulomb à une vitesse moyenne de 2.105m.s-1. Enfin, à chaque pas du traceur correspond une impulsion de courant d’amplitude supérieur à 1 kA. Ces dernières sont associées alors à des impulsions de champs électriques et magnétiques (d'une durée d'environ 1µs et des temps de montée inférieur à 0.1µs).
Ce traceur descend alors en cherchant les zones où il y a le moins de résistance dans l’air. Or ces zones étant très discontinues et non linéaires, elles sont responsables de la formation en branche de l’éclair.

- Les coups de foudre descendants négatifs. Ils sont initiés par un traceur négatif qui se déplace du nuage vers le sol.
- Les coups de foudre descendants positifs. Ils sont initiés par un traceur positif qui se déplace du nuage vers le sol.
- Les coups de foudre ascendants négatifs. Ils sont initiés par un traceur négatif qui se déplace du sol vers le nuage.
- Les coups de foudre ascendants positifs. Ils sont initiés par un traceur positif qui se déplace du sol vers le nuage.

Dans les régions tempérées, Le descendant négatif (1) représente plus 90% des coups de foudre nuage-sol (c’est la forme la plus commune). Le descendant positif (3) quant à lui fait moins de 10% des apparitions (nuage-sol). Enfin les autres, relativement rares, apparaissent plutôt aux sommets des montagnes et des longues structures.

Arc de retour : Lorsque les 2 traceurs se connectent, un chemin conducteur en résulte qui s'établit entre le sol et le nuage. Un courant positif d'une intensité considérable se propage du sol vers le nuage et neutralise les charges de ce dernier : c'est l'arc en retour, souvent le plus lumineux.

*Quelques informations supplémentaires :

Différents noms d'éclairs

	* Fulminants: en sillons qui ne sont ni rectilignes ni en zigzag, mais courbés avec des arrondis graduels.
	* Ramifiés: lorsqu'ils se subdivisent en plusieurs branches.
	* Sinueux: lorsqu'ils ont de nombreux traits et segments assez apparents.

Différentes couleurs :
L’air ambiant influe sur la couleur de l’éclair.
- Un éclair rouge indique de la pluie dans l'air.
- Un éclair bleu, la présence de grêle.
- Un éclair jaune est le signe d'une quantité importante de poussière dans l'atmosphère.
- Un éclair blanc est signe d'un air très sec.

Longueur et épaisseur de la trajectoire d'un éclair :
La longueur des éclairs peut aller de 100 m à 20 km dans le cas de l'éclair sinueux. Sa vitesse atteint 40000 km/s, donc un peu plus d'un dixième de la vitesse de la lumière. Sont épaisseur est d'environ 3 cm.

Tension de l’air :
Jusqu’à 100 millions de volts (alors que la tension du courant électrique de la maison n’est que d’environ 230V)

Température de l'air autour de l'éclair :
La température de l'air est très élevée, environ 30000 degrés (5 fois la température du soleil à sa surface!) le long du trajet de l'éclair. (L'air traversé par l'éclair est "grillé"!).

Relation entre éclair et tonnerre :
Tout d'abord, le tonnerre est en fait causé par une explosion d'air : elle vient tout simplement du fait que l'air entourant l'arc de retour est chauffé à 30000degrès, ce qui constitue une augmentation énorme et rapide, ce qui provoque l'explosion de l'air.