III) L' Homme et ses découvertes pour se protéger

A) Que faire en cas d'orage?

>>>>>>>> Vidéo d'introduction - Geste d'intérieur (environ 1minute) <<<<<<<

L’orage tue chaque année en France, des dizaines de personnes, et environ 20000 animaux, provoque 17000 incendies ainsi qu’un nombre important de dégâts divers sur les matériels électriques et électroniques. Ainsi, certaines précautions sont à prendre, voici les réflexes à avoir en cas d’orage qui sont multiples :

Pendant un orage, il est dangereux de se placer sous les arbres sur lesquels la foudre peut tomber. Mais il tout aussi dangereux de traverser une vaste place ou un champ dans lequel la personne serait la partie la plus exposée. Il ne faut pas utiliser un parapluie ou un objet pointu (par exemple un piolet, une fourche...)
Par contre, une automobile est un très bon abri, car sa carosserie métallique constitue une cage de Faraday (A l'intérieur de la cage, le champ électrique est nul, même si des charges sont placées à l'extérieur ou si la cage est reliée à un générateur électrostatique. qui vous protège du danger. Inconvénient: les ondes radio (électro-magnétiques) ne traversent pas les cages de Faraday, ce qui empêche de faire fonctionner correctement, à l'intérieur d'une automobile, des récepteurs ou des émetteurs (auto-radios, téléphones portables). On utilise alors une antenne de toit.) Il faut donc penser à rabattre son antenne radio !

Petit bilan :

Lorsque l’on est à l’extérieur :

*Ne pas rester sur un champ ou sur un terrain de football par exemple.
*Ne pas s'abriter sous un arbre à cause de sa hauteur et parce que le bois est un très mauvais conducteur d'électricité. La majorité des électrons issus de la foudre sont alors bloqués au sein de l'arbre, créant une énergie au sein de l'arbre ; l'arbre finit par "exploser». Comme le corps humain est un excellent conducteur, pour arriver sur la Terre, la foudre "se jette" sur notre corps ; résultat : c'est la mort quasi assurée ; "quasi" car certaines personnes parviennent à survivre selon le rythme cardiaque que vous avez au moment du contact avec la foudre et pour d'autres raisons ( type de métaux des objets que vous portez, etc... ) .
*Ne pas s'abriter dans une cabine téléphonique.
*Ne pas courir : le corps dégage alors de l'énergie qui facilite le trajet de la foudre vers le sol.
*Ne pas porter tout objet conducteur : boucles d'oreille, parapluie, ceinture,...
*Eviter les activités extérieures notamment près de l'eau.
*S'éloigner du métal et des lignes électriques ou téléphoniques.
-Dans un endroit isolé et découvert : ramper même si le sol est humide et boueux.
*Si l’on est en groupe, il faut se séparer les uns des autres d'au moins 5 mètres : si jamais quelqu’un est touché par la foudre, les autres ne le seront pas.

Position de sécurité à adopter en cas d’orage :

Lorsque l’on est chez soi :

*Ne pas toucher les conduites d'eau et les robinets.
*Ne pas prendre de bain ou de douche.
*Débrancher (si possible et si utile) les appareils électriques (lampes, télévision, ordinateur…) En effet, si la foudre tombe sur une ligne à haute tension, même à des kilomètres des habitations, elle peut endommager l'objet voire le détruire .
Ne pas allumer son téléphone portable ou fixe : idéal pour attirer la foudre sur l’habitation.
Conseils pour secourir quelqu’un :
Avant tout, faisons tomber une idée reçu : on ne craint rien à aller secourir quelqu’un qui a été foudroyé. Il ne s'agit pas d'une électrocution par fil. Il faut d'abord appeler les secours - en composant le 15 ou le 18 depuis un poste fixe, le 112 depuis un portable- . Premiers gestes à réaliser: desserrer le col, la cravate, la ceinture. Si la personne ne respire plus : il faut faire le bouche à bouche, associé au massage cardiaque si la victime ne réagit pas. Ensuite, il faut placer le blessé qui a repris conscience en position latérale de sécurité puis attendre l'arrivée des secours.

Conséquence de la foudre sur l’homme:

Le foudroiement peut entraîner la mort mais également des troubles plus ou moins graves :
*Troubles neurologiques ou psychiques (amnésie, coma, anxiété …)
*Troubles cardio-vasculaires
*Manifestations cutanées (brûlures notamment)
*Troubles oculaires (brûlures cornéo-conjonctivales possibles)
*Troubles auditifs (perforation du tympan fréquente)

Il existe des signes précurseurs, annonçant l’arrivée probable d’un orage.
Le ciel s'assombrit rapidement (en raison de la grande quantité d'eau en suspension qui cache le soleil) et peut devenir noir d'encre dans les cas les plus violents. En général, plus le ciel est sombre, plus le nuage est épais.
Le vent se renforce et tourne à la bourrasque. Ces rafales précèdent souvent des fortes précipitations de pluie.
Le poste de radio grésille (forte activité électrique de la foudre à faible distance).

B) Les protections dites actives et passives

1) Paratonnerre

En temps normal, un champ électrique important existe en permanence (environ 150 V/m).
En cas d'orage, comme il y a présence du cumulo-nimbus (très negatif) , ce champ s'inverse.
Les objets préominents ou pointus deviennent positifs par influence*. Le rôle protecteur du paratonnerre consiste à offrir à la foudre un point de chute.
Partant du nuage vers le sol, une première décharge négative (le traceur) progresse par bonds successifs de quelques dizaines de mètres. Lorsque ce traceur atteint la pointe, un canal ionisé est alors formé. Ce canal est emprunté par un courant très intense alimenté par la différence de potentiel considérable qui s'est établie entre le sol et le nuage (de 15 000 V/m à plus de 30 000 V/m !). C'est cet arc qui constitue l'éclair visible dont l'intensité peut varier de 5 000 à 200 000 ampères. Cela explique les dégâts matériels causés. Le bruit du tonnerre est dû à la dilatation explosive de l'air échauffé à des températures de l'ordre de 20 000 °C.

2) Cartes de localisation en temps réel

La foudre, issue des nuages d'orage, rayonne des ondes électromagnétiques qui suivent le sol sur plusieurs milliers de kilomètres. Des détecteurs, distants les uns des autres de 200 à 250 kilomètres, mesurent, pour chaque éclair : La forme de l'onde rayonnée, l'heure exacte d'arrivée de l'onde, l'intensité du rayonnement ainsi que le nombre d'arcs en retour (décharges).

a) Définition du principe

La technique de localisation hyperbolique consiste à mesurer les différences de temps d'arrivée entre plusieurs stations, du champ électrique basse fréquence rayonné par l'arc en retour des décharges nuage-sol.

Les capteurs sont des antennes permettant de mesurer l'impulsion électromagnétique créée par le coup de foudre. Le signal de champ électrique émis par le coup de foudre met un certain temps pour arriver à une antenne individuelle.

L'air, étant un milieu homogène et isotrope (dont les propriétés physiques sont les mêmes dans toutes les directions), la lumière provenant de la foudre se propage en cercle. Donc, s'il y a une différence de temps de réception du signal des stations, les rayosn des deux cercles sont différents. Les branches s'obtiennent expérimentalement grâce à l'intervalle de temps existant entre les stations.

Si R est la distance entre l’antenne et le point de chute de la foudre, R = Ct, C étant la vitesse de la lumière et t l'intervalle de temps .existant entre les arrivées du signal du champ électrique pour deux antennes différentes. Ceci permet alors de déterminer une courbe hyperbolique sur laquelle se trouve le point de chute de la foudre. Une analyse similaire réalisée entre une des deux stations et une troisième permet de déterminer une deuxième hyperbole. L’intersection de ces deux hyperboles permet de déterminer le point de chute (la synchronisation des différentes stations de réception est une des condition essentielle d’efficacité de la détection).

b) Définition d'une hyperbole

Une hyperbole est l’intersection de deux cônes avec un plan. Une hyperbole est l’ensemble des points M dont la valeur absolue de la différences des distances à deux points fixes est une constante donnée, soit MF — MF’ = 2a ou MF’ — MF = 2a.

Exemple : On considère 3 stations : S1, S2 et S3, qui relèvent les 3 temps T1, T2, et T3 mis par la lumière de l’éclair pour arriver. Si "c" est la vitesse de la lumière, cT1 est la distance du point d’impact à station S1 et cT2 est la distance du point d’impact à la station S2. Prenons par exemple .

Les branches sont obtenus expérimentalement grâce a l'intervalle de temps existant entre les 2 stations. (On entre dans un domaine compliqué des mathématiques, étudié dans les programmes mathématiques supérieurs. Dans le cadre du TPE, nous n'expliquerons que le principe, nous n'entrerons pas dans les détails, comme la méthode pour tracer des hyperboles...)

De même, pour la station S3, on donne . Ainsi, d'après la définition d'une hyperbole, si on a (Cti avec i appartient à N : c'est le rayon du cercle, donc c'est logique ainsi l'on sait sur quel branche choisir l'intersection), le point d’impact est plus proche de S1 que de S2 plus proche de S3 que de S2. Cela permet de choisir les bonnes branches des hyperboles H1 et H2. (En sachant quelle branche est la plus proche cela permet de connaître quel est le point d'intersection est le plus plausible).

Toutefois, des erreurs peuvent survenir, notamment en cas d'imperfections de détection du signal.

3) Autres méthodes de localisation

Il existe bien sur d'autres méthodes de localisation de la foudre!!!

- L’imagerie par satellite. Elle est basée sur la détection des flashs lumineux émis par les éclairs au cours d’un orage. En raison de la couverture nuageuse, cette technique ne permet de détecter que les éclairs inter-nuages.
- L’imagerie radar permet de détecter les nuages caractéristiques des orages mais pas les éclairs.


- La méthode interférométrique détecte les cellules orageuses grâce à leur activité électrique.

- La méthode de Franklin. Le mécanisme est constitué de deux clochettes et utilise le principe du carillon électrostatique et de l'effet couronne ( découvert par Franklin ) pour indiquer l'arrivée d'un orage.
L'effet couronne est produit par l'ionisation de l'air sous l'action du champ électrique et il est souvent perceptible.

-La méthode la plus populaire : Il suffit de compter le nombre de secondes entre le moment où on aperçoit l’éclair et celui l’on entend le tonnerre. Chaque seconde correspond à 340 m de distance entre l’impact et l’observateur.

Les cartes d’impacts sont utilisées dans beaucoup de domaines, tant civil que militaire.

Dans le cadre militaire, les cartes d’impacts permettent de repérer les zones où les hommes seraient en danger. On les utilisent aussi bien dans l’armée de terre que dans l’armée de l’air.Dans le cas d’un orage violent localisé, elles permettent de rapatrier les hommes en fonction des zones foudroyées ou de leur porter secours plus rapidement.

Ces cartes servent tout autant aux sociétés privées. Si la société décide d’aménager un nouveau site, il est judicieux pour elle de se renseigner sur les zones à risques, éventuellement prévoir l’emplacement des paratonnerres et sur l’architecture des bâtiments qui pourrai faciliter les échanges d’électrons avec les nuages. Par exemples, un bâtiment comportant de nombreuses pointes risque d'être un "pole d'attraction" pour la foudre.

Mais ces cartes servent aussi aux collectivités locales ; les "alertes-foudre" permettent d’optimiser la prévention des populations quant aux risques liés à la foudre. De cette manière, grâce à l’ "alerte foudre" les municipalités concernées peuvent déclencher à bon escient les mesures préventives.

CONCLUSION :

On peut donc dire que la foudre, est un phénomène qui reste encore aujourd'hui mal connu. Des techniques de localisation existe, mais ne sont disponibles que pour de grands évènements. Un jour, saura t-on avec certitude prévoir une semaine à l'avance où, et quand se déclenchera la foudre?