Comment se forme la foudre : charges du nuage, traceur et éclair
La foudre se forme quand les collisions entre cristaux de glace et petit grésil à l’intérieur d’un nuage d’orage séparent les charges électriques : la charge positive s’accumule près du sommet du nuage et la négative en son milieu. Quand l’écart devient trop grand, l’air, normalement un isolant, cède et une gigantesque étincelle décharge le nuage. Le canal chauffe l’air à environ 28 000 °C (50 000 °F), et l’air éclate vers l’extérieur : c’est le tonnerre.
La foudre est l’un des phénomènes naturels que l’on observe depuis le plus longtemps, mais les scientifiques débattent encore de certains détails sur la façon dont un nuage accumule sa charge. Ce guide suit pas à pas l’explication la mieux établie : comment le nuage devient une batterie, ce qui se passe pendant les quelques millièmes de seconde d’un éclair, pourquoi le tonnerre suit l’éclair, comment estimer la distance en comptant les secondes et ce que recommandent les services météorologiques quand vous entendez le tonnerre.
Idées essentielles
- Les collisions entre le grésil (graupel) et les cristaux de glace dans un haut nuage d’orage séparent les charges ; les détails sont encore débattus, mais le nuage finit avec une charge positive en haut et négative au milieu.
- Un traceur par bonds descend du nuage par petits pas, une étincelle monte à sa rencontre et l’arc en retour qui remonte le canal produit l’éclair éblouissant.
- Le canal chauffe l’air à environ 28 000 °C (50 000 °F), cinq fois plus que la surface du Soleil ; l’air se dilate brutalement et nous entendons le tonnerre.
- Comptez les secondes entre l’éclair et le tonnerre : divisez par 3 pour obtenir des kilomètres ou par 5 pour obtenir des miles.
- Si vous entendez le tonnerre, vous êtes assez près pour être frappé : le Service météorologique national américain (NWS) conseille de gagner un bâtiment solide ou un véhicule fermé à toit métallique et d’y rester au moins 30 minutes après le dernier coup de tonnerre.
Comment un nuage d’orage se charge-t-il en électricité ?
Un orage commence quand le Soleil chauffe le sol et que des poches d’air chaud s’élèvent. Les cumulus tourelles grandissent jusqu’à ce que le sommet s’aplatisse en enclume. À l’intérieur, un nuage bien développé contient de petits cristaux de glace dans les couches hautes, un mélange de cristaux et de petit grésil au milieu, et de la pluie et du grésil en fusion en bas. De forts courants ascendants maintiennent ces particules en mouvement et les font se heurter.
Les scientifiques pensent que la première étape fait intervenir un petit grésil mou, appelé graupel, large d’une fraction de millimètre à quelques millimètres, qui grossit en captant des gouttelettes d’eau surfondue. Quand le graupel heurte de plus petites particules de glace et rebondit, il prend une charge d’un signe et la particule de glace l’autre. Le courant ascendant emporte plus vite vers le haut les plus petites particules, et les deux sortes de charge sont ainsi séparées.
Le résultat, tel que le décrit le NWS, est un nuage dont le sommet est chargé positivement et dont le milieu et la partie basse le sont négativement, avec une petite poche positive près de la base. La charge négative du milieu rend le sol situé dessous positif par contraste. Le Laboratoire national des tempêtes violentes de la NOAA (NSSL) ajoute une remarque honnête : on sait quelles conditions produisent la foudre, mais on débat encore de la façon exacte dont un nuage accumule ses charges.
Ce qui se passe dans un éclair : le traceur et l’arc en retour
L’air est un isolant : il maintient donc les charges opposées séparées pendant un temps. Quand l’écart devient trop grand, l’isolation cède et une décharge électrique rapide se produit : c’est la foudre. La plupart des éclairs naissent dans le nuage et y restent : selon le NSSL, il y a environ 5 à 10 fois plus d’éclairs dans les nuages que d’éclairs qui atteignent le sol.
Un éclair qui va frapper le sol envoie vers le bas un canal appelé traceur par bonds, parce qu’il avance par petits pas à mesure que l’air devant lui s’ionise. Quand le traceur arrive à environ une centaine de yards (environ 90 mètres) du sol, des objets comme les arbres, les bâtiments et les buissons envoient des étincelles à sa rencontre. Dès que l’une d’elles le rejoint, un courant énorme parcourt tout le canal. Cette impulsion, l’arc en retour, produit l’éclair éblouissant que nous voyons ; tout se déroule en quelques millièmes de seconde, trop vite pour que l’œil suive sa formation.
Les objets élevés ont plus de chances d’envoyer l’étincelle de jonction : les arbres, les gratte-ciel et les montagnes sont donc souvent touchés, mais la foudre peut aussi tomber en terrain découvert, même avec des arbres tout près. Le NSSL donne pour un éclair typique une tension de 100 millions à 1 milliard de volts, avec des milliards de watts de puissance.
Pourquoi la foudre fait-elle du tonnerre, et à quelle distance est-elle ?
Le tonnerre est le son de l’éclair. Le canal de foudre chauffe l’air qui l’entoure à environ 28 000 °C (environ 50 000 degrés Fahrenheit), soit à peu près cinq fois la température de la surface du Soleil, en quelques millionièmes de seconde. L’air n’a pas le temps de se dilater : il est donc à très haute pression et éclate vers l’extérieur sous forme d’onde de choc, qui s’éteint en devenant le son que nous entendons. Juste après l’éclair, l’air se refroidit et se contracte de nouveau.
Le tonnerre gronde parce que l’éclair est long. Vous entendez d’abord le tonnerre de la partie la plus proche du canal, puis de parties de plus en plus éloignées, et les sons aigus s’atténuent dans l’air plus vite que les graves. Un claquement sec signifie que le canal est passé tout près ; un grondement grave, qu’il était à plusieurs miles. Selon le NWS, on entend normalement le tonnerre jusqu’à environ 10 miles (16 km) du point d’impact.
La lumière vous parvient presque instantanément, mais le son parcourt environ un tiers de kilomètre (un cinquième de mile) par seconde. Comptez les secondes entre l’éclair et le tonnerre et divisez par 3 pour obtenir la distance en kilomètres, ou par 5 pour obtenir des miles : 9 secondes font environ 3 km, 15 secondes environ 3 miles. Comptez depuis un endroit sûr.
Quelle est la fréquence de la foudre, et que faire en entendant le tonnerre ?
Il y a de la foudre quelque part sur Terre à chaque instant. D’après les mesures par satellite, les scientifiques de la NASA ont compté avec l’Optical Transient Detector environ 1,4 milliard d’éclairs par an, soit en moyenne 44 ± 5 par seconde, avec un rapport terre-océan d’environ 10 pour 1. Une estimation plus ancienne de 100 éclairs par seconde, faite en 1925, s’est révélée trop élevée. Aux États-Unis, la foudre frappe le sol environ 25 millions de fois par an et tue environ 20 personnes par an, selon le NWS.
La règle du NWS est « When thunder roars, go indoors » (« quand le tonnerre gronde, mettez-vous à l’abri »). Si vous entendez le tonnerre, la foudre est assez proche pour vous frapper. Gagnez un bâtiment solide doté d’électricité ou de plomberie, ou un véhicule fermé à toit métallique, vitres relevées, et restez-y au moins 30 minutes après le dernier coup de tonnerre. À l’intérieur, n’utilisez pas de téléphone filaire ni d’appareils branchés directement sur le secteur, et évitez la plomberie, comme les éviers et les baignoires.
La foudre peut frapper à plusieurs kilomètres de l’orage, même sous un ciel bleu à sa lisière. Pour les personnes surprises dehors sans abri, le NWS dresse une liste de gestes de dernier recours : quitter les collines et les crêtes, ne jamais s’allonger à plat sur le sol, ne jamais s’abriter sous un arbre isolé et s’éloigner de l’eau. Il est bien plus sûr de partir à temps que de compter sur eux.
Comment le VJOURNAL SMART BOOK montre un orage
Le chapitre « Dans un orage » du SMART BOOK gratuit « Tout sur tout » de VITON13 SCHOOL raconte la même histoire en cinq courts moments. À côté du texte se trouve une image 3D vivante d’un nuage d’orage que vous pouvez faire tourner du doigt ou à la souris, et dessous un bac à sable : réglez les secondes entre l’éclair et le tonnerre ainsi que la température de l’air, et la page donne la distance et la vitesse du son (environ 343 m/s à 20 °C).
Le chapitre se termine par trois faits et un quiz de trois questions, dont la règle « divisez par trois » de ce guide, et chaque chiffre provient des sources listées plus bas. C’est une façon de tester vous-même l’astuce du comptage avant le prochain orage.
En mots simples
Frottez un ballon sur vos cheveux : il produit une toute petite étincelle quand il touche quelque chose. Un nuage d’orage fait la même chose en géant : la glace et le grésil se frottent à l’intérieur du nuage jusqu’à ce qu’il soit plein d’électricité, et quand l’air ne peut plus la retenir, l’électricité saute en une énorme étincelle. L’air que cette étincelle chauffe fait « bang », et ce bang, c’est le tonnerre.
À vous de jouer
Ouvrez le chapitre « Dans un orage » du SMART BOOK « Tout sur tout », réglez 9 secondes entre l’éclair et le tonnerre, puis faites varier la température de l’air entre 0 °C et 30 °C.
Résultat attendu
Une distance d’environ 3 km et une vitesse du son d’environ 331 m/s à 0 °C et d’environ 349 m/s à 30 °C : le tonnerre arrive donc un peu plus tôt dans l’air chaud.
Vérifiez votre réponse: Vous voyez un éclair et entendez le tonnerre 15 secondes plus tard. À quelle distance se trouve environ la foudre, et que faut-il faire ?
À environ 5 km (15 ÷ 3) ou 3 miles (15 ÷ 5). C’est assez près pour être dangereux : gagnez un bâtiment solide ou une voiture fermée et attendez au moins 30 minutes après le dernier coup de tonnerre.
Questions et réponses
Qu’est-ce qui provoque la foudre, en une phrase ?
Les collisions entre grésil et glace dans un nuage d’orage séparent les charges électriques jusqu’à ce que l’air entre les charges opposées n’isole plus et qu’une gigantesque étincelle les décharge.
La foudre est-elle plus chaude que le Soleil ?
L’air d’un canal de foudre peut atteindre environ 28 000 °C (environ 50 000 °F), soit à peu près cinq fois la température de la surface du Soleil, mais seulement pendant quelques millionièmes de seconde.
Comment savoir à quelle distance tombe la foudre ?
Comptez les secondes entre l’éclair et le tonnerre et divisez par 3 pour obtenir des kilomètres ou par 5 pour obtenir des miles. Le son parcourt environ un tiers de kilomètre par seconde.
Combien de fois la foudre frappe-t-elle la Terre ?
Environ 1,4 milliard d’éclairs par an, soit en moyenne 44 par seconde, en comptant les éclairs dans les nuages comme ceux qui atteignent le sol, d’après les mesures faites depuis l’espace par l’Optical Transient Detector de la NASA. La plupart ont lieu au-dessus des terres.
Peut-on ressortir en toute sécurité dès que le tonnerre s’arrête ?
Pas tout de suite. Le NWS conseille de rester à l’abri au moins 30 minutes après le dernier coup de tonnerre, car la foudre peut encore frapper depuis un orage qui s’éloigne.
La foudre est une gigantesque étincelle qui décharge un nuage d’orage après que la glace et le grésil ont séparé ses charges ; l’éclair chauffe l’air à environ 28 000 °C (50 000 °F) et le bang est le tonnerre. Comptez les secondes pour trouver la distance et mettez-vous à l’abri dès que vous l’entendez. Pour tester vous-même la règle du comptage, ouvrez le chapitre gratuit « Dans un orage » du VJOURNAL SMART BOOK.
Sources et lectures
- NOAA National Severe Storms Laboratory: Severe Weather 101, Lightning basics ↗Sources consultées:
- National Weather Service: Understanding Lightning, Thunder ↗Sources consultées:
- National Weather Service: Overview of lightning science and safety ↗Sources consultées:
- National Weather Service: Lightning safety tips ↗Sources consultées:
- Christian et al.: Global frequency and distribution of lightning as observed from space by the Optical Transient Detector (J. Geophys. Res., 2003) ↗Sources consultées: