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Comment se produisent  la foudre et les éclairs

Bien que les scientifiques ne soient pas unanimes sur la manière dont l'électrification des nuages a réellement lieu, il est convenu que la séparation des charges positives et négatives doit se produire dans un nuage pour donner lieu à la foudre. Il est aussi généralement convenu que foudre et éclairs ne peuvent éventuellement se manifester que si, dans une tempête qui se forme, il y a présence de glace. 

La turbulence d'un orage avec ses courants ascendants et descendants représente le milieu idéal pour séparer les charges électriques : les charges négatives se concentrent généralement près de la base du nuage, alors que les charges positives s'accumulent dans les parties supérieures. Ce phénomène permet aux champs électriques de se former et de s'amplifier entre le nuage et le sol, ainsi que dans le nuage comme tel – ce sont là toutes les conditions nécessaires à la formation de la foudre et des éclairs. 

Étant donné que les objets à charge similaire se repoussent et que ceux à charge opposée s'attirent, les charges négatives commencent alors à s’étendre près de la base du nuage. En même temps, les charges positives commencent à s'accumuler sous la tempête. Cette région de charges positives se déplace sous le nuage, un peu comme une ombre. Les charges positives ont tendance à se concentrer sur des objets élevés, tels que les arbres, les poteaux et les bâtiments. 

Superposition de charges positives et négatives sur une photo d'un orage des Prairies qui menace d'éclater près de Yellow Grass, en Saskatchewan. Photo offerte par Dwight Clarke.

Un éclair nuage-sol commence alors qu’un canal de charges négatives fait son chemin vers le sol. Ce phénomène est connu comme un traceur par bonds. Le traceur par bonds se rend jusqu'au sol par une série de bonds d'une longueur variant approximativement entre 50 et 100 mètres chacun. Ce traceur par bonds peut s'étendre dans de nombreuses directions.

En réponse à la décharge négative en provenance de la base d’un nuage, les courants de charge positive commencent à se déplacer vers le haut à partir du sol, généralement le long d’objets élevés; il s'agit là des traceurs ascendants.

Lorsque le traceur par bonds et le traceur ascendant se rencontrent, habituellement entre 30 et 100 mètres au-dessus du sol, les charges négatives commencent à circuler vers le bas. Presque instantanément, un courant électrique beaucoup plus important et lumineux monte en flèche jusqu'au nuage, en suivant la trajectoire du traceur par bonds. Ce phénomène est connu comme la décharge de retour; c'est également ce que nous percevons dans le ciel et que nous appelons un éclair. Le tout se produit si rapidement (en moins d'une seconde!) que l'éclair semble se déplacer des nuages jusqu'au sol, mais en réalité, c'est le contraire.

Pour voir comment le processus se déroule, vous pouvez regarder un montage vidéo au ralenti qui présente un seul éclair, en suivant ce lien (seulement en anglais). Vous y verrez que la foudre essaye de nombreux chemins, mais elle n'en trouve qu'un seul. Ce montage dure moins d'une seconde. Il n'est pas étonnant qu'il soit impossible de suivre à l'œil nu toutes les étapes du phénomène!  

Photo d'un éclair qui frappe un arbre. Photo utilisée avec la permission de Johnny AuteryLorsque la foudre éclate, ou ce qu'Environnement Canada appelle un éclair, il y a généralement plusieurs décharges électriques. Après la plus importante décharge initiale, des décharges subséquentes plus faibles peuvent suivre et elles suivent généralement (mais pas toujours) la même trajectoire que la décharge initiale. Lorsque la foudre suit la même trajectoire, vous remarquerez qu’elle semble vaciller. Si elle emprunte une trajectoire un peu différente, elle semble danser. En moyenne, de trois à quatre décharges subséquentes se produisent, mais il peut s’en produire jusqu’à vingt ou plus.  

Examinez la photo ci-dessus d'un éclair qui frappe un arbre. Le traceur par bonds s'est de toute évidence lié au traceur ascendant qui provenait de l'arbre. Mais si vous regardez de plus près, vous pouvez également voir, en provenance de l'arbre,  un traceur ascendant qui ne s'est pas connecté (traceur indiqué au moyen d'une flèche rouge). Il y a également un très faible traceur ascendant visible en provenance d'un poteau de téléphone tout juste à la gauche de l'arbre (traceur indiqué au moyen d'une flèche jaune). Ces phénomènes se produisent trop rapidement et sont souvent trop faibles pour être vus, sauf s'ils sont documentés sur pellicule comme l'a fait ce photographe. Cette photo démontre aussi clairement pourquoi il n'est pas raisonnable de chercher un abri sous un arbre pendant un orage! 

Un éclair nuage-sol est le type d'éclair le plus dangereux et le plus destructeur. Toutefois, un éclair de nuage à nuage est le type le plus commun. Ce type d'éclair ressemble à un vacillement brillant dans un nuage. Pour chaque éclair nuage-sol, il peut y avoir de trois à cinq éclairs de nuage à nuage.

La foudre peut se manifester différemment, lorsque certaines décharges se répandent du sol jusque dans le ciel. Dans ce cas, le traceur par bonds avance du sol vers les nuages.La photo ci-dessous illustre bien ce phénomène.

Photo d'un éclair nuage-sol. Photo utilisée avec la permission de Johnny Autery.

Les différentes formes d’éclairs

Les éclairs peuvent se présenter de façons bien différentes. Par exemple, vous pouvez reconnaître un éclair ramifié par ses lignes irrégulières ou tordues. Vous pouvez également souvent voir plusieurs branches qui s’élancent d'un nuage jusqu’au sol, traversent  un nuage, passent d'un nuage à un autre, ou même s’échappent dans l'air à partir d’un nuage.

Autres types d’éclairs : 

  • Le terme « éclair diffus » est utilisé pour décrire les éclairs qui illuminent l'ensemble d'un nuage, mais où l’on ne perçoit pas l'éclair réel. 
  • Le terme éclair de chaleur est utilisé pour décrire un éclair éloigné que l’on peut voir, mais que l’on ne peut pas entendre. Dans ce cas, la visibilité est habituellement bonne et le ciel est souvent clair. 
  • Le terme « feu Saint-Elme », bien qu'il ne s’applique pas aux éclairs, sert à décrire les particules toujours chargées qui ressemblent à une lueur bleue ou verdâtre au-dessus d'objets pointus, tels que les arbres, les mâts de navire ou les nez d'avion. Il est parfois possible de l'observer avant l'apparition d'un éclair.
  • On peut aussi observer des éclairs en haute altitude alors que la foudre éclate au sommet des orages. Dans ces cas-là, on donne aux éclairs des noms imaginatifs, tels que farfadets, elfes et jets bleus. 

Éclair négatif par rapport à éclair positif

La grande majorité des éclairs sont négatifs, ce qui signifie qu'il y a un transfert net des charges négatives du nuage jusqu'au sol. Les éclairs négatifs représentent environ 95 % des éclairs nuage-sol. 

Lorsqu'il y a un transfert net d'énergie positive des nuages jusqu'au sol, on considère qu'il s'agit d'éclairs positifs. Ces éclairs proviennent des parties du nuage où les charges positives sont élevées, comme dans l'enclume ou la partie supérieure d’un nuage, ou dans les parties supérieures d'un orage

Même si seulement environ 5 % des éclairs sont positifs, ils sont assez importants, car ils portent une charge plus élevée et durent plus longtemps que les éclairs négatifs. C'est pour cette raison qu'ils ont tendance à causer plus de dommages aux infrastructures de l'énergie et de l'électricité et qu'ils déclenchent également plus d'incendies de forêt que les éclairs négatifs. Les éclairs positifs sont plus fréquents lors d'orages violents et d'orages qui ont lieu pendant l'hiver.

Les éclairs ne se produisent pas seulement pendant des orages…

Des éclairs ont également été observés lors de tempêtes de poussière, d'incendies de forêt et d'éruptions volcaniques. Les particules comme le sable, la fumée et la cendre, de ces milieux, peuvent se charger électriquement et créer des conditions atmosphériques semblables à celles d'un orage.