Les dangers de la foudre

Les orages sont des phénomènes atmosphériques bien connus mais souvent dévastateurs dans leurs conséquences. Une de ces conséquences, liée à la nature électrique de ceux-ci, est l’atteinte voire la destruction de tout matériel électrique ou électronique.

Les orages sont des phénomènes atmosphériques bien connus mais souvent dévastateurs dans leurs conséquences. Une de ces conséquences, liée à la nature électrique de ceux-ci, est l’atteinte voire la destruction de tout matériel électrique ou électronique. Peut-on se prémunir contre ces atteintes, peut-on prendre des mesures simples pour s’en protéger, telles sont les questions auxquelles nous voulons répondre dans les pages qui suivent.

Avant d’aborder les précautions à prendre, nous allons revenir sur l’origine et les manifestations de la foudre. Vous allez sans doute découvrir des mots habituellement utilisés par des spécialistes, météorologues, ingénieurs ou installateurs spécialisés dans la pose de paratonnerre ou dispositifs parafoudre. Un paratonnerre est un dispositif qui permet de se protéger des effets directs de la foudre, c’est-à-dire, dans le langage courant, de l’éclair qui se forme entre le sol et les nuages : le paratonnerre le plus connu est la pointe de Franklin qui permet de récupérer “l’éclair” pour le diriger vers le sol. Un parafoudre ou dispositif parafoudre permet de se protéger contre les effets dits secondaires de la foudre : un coup de foudre engendre comme nous le verrons des surtensions très importantes et destructrices dans les lignes de transmissions électriques, lignes EDF, lignes téléphoniques, câbles de toutes natures pénétrant dans un local ou dans une habitation (descentes d’antennes pour ce qui nous concerne) voire canalisations d’eau métalliques.

Un phénomène naturel redoutable
Nous pouvons trouver facilement des exemples d’éclairs dans la vie courante. Lorsque vous marchez sur de la moquette, le frottement des semelles de vos chaussures va provoquer sur vous une accumulation de charges électriques. Si vous touchez un objet métallique raccordé au sol, avant même que votre doigt soit en contact de cet objet (une poignée d’ascenseur par exemple), un petit éclair ou arc électrique va se former entre votre doigt et la poignée. Cet arc est la preuve que les charges électriques que vous avez accumulées vous ont porté à un potentiel électrique de plusieurs milliers de volts !

Et pourtant vous êtes encore en vie ? Oui, car l’énergie mise en jeu est faible ; la seule conséquence que vous avez subie est un picotement désagréable, mais sans conséquence pour votre organisme. Prenons un autre exemple : les bougies qui équipent un moteur d’automobile (à essence) sont aussi le siège d’une décharge électrique se traduisant par un petit éclair entre l’électrode centrale et le corps de la bougie. Cette décharge est nécessaire pour enflammer le mélange air/essence lors de la phase de combustion du moteur. La différence de potentiel est de l’ordre de 20000 à 50000 volts mais l’énergie nécessaire est déjà importante : ceux d’entre vous qui auraient touché un fil de bougie débranché ont pu mesurer les effets très désagréables de cette énergie disponible ! Le principe de l’apparition d’un éclair d’orage est le même : il faut qu’il existe une très grande différence de potentiel entre le nuage et le sol, plusieurs milliards de volts, compte tenu de la distance qui les sépare.

Comment naissent les éclairs
Ces décharges électriques ou coup de foudre représentent en fait un courant électrique transitoire qui va égaliser la différence de potentiel électrique qui existe entre un nuage et le sol ou entre deux nuages. Ce courant très intense, de valeur moyenne 35000 ampères en France, est compris dans une bande de fréquences allant de 1 kHz à 1 MHz ; sa durée s’échelonne entre 10 microsecondes et 100 millisecondes. Il s’accompagne d’un effet lumineux et sonore lui aussi très intense : la température de l’éclair dépasse 27000 degrés Celsius. Cette valeur est à comparer à la température de la surface du soleil qui n’est que de 5600 degrés Celsius ! Cette brusque élévation de température génère une onde choc qui va se propager dans l’air (à la vitesse de 340 mètres par seconde), c’est le tonnerre ; le bruit du tonnerre peut être entendu jusqu’à une distance de plus de 15 kilomètres par rapport au lieu de l’éclair. La vitesse de l’éclair est très rapide : seulement cent fois plus petite que la vitesse de la lumière. Ce courant génère également un fort champ électromagnétique (champ électrique et champ magnétique) dont les effets peuvent être minimes (craquements dans la « radio » dus aux éclairs nuages/nuages) ou importants pour des appareils situés près de l’impact.

Lors d’un orage 75% des éclairs prennent naissance entre deux nuages et 25% entre un nuage et le sol. Ces éclairs correspondent à une décharge consécutive, nous l’avons vu, à une différence de potentiel ; cette différence de potentiel est due à l’accumulation de charges électriques de nature différente : positives et négatives. Lorsqu’un nuage d’orage, chargé négativement, se déplace il engendre une accumulation de charges positives au sol qui le suit comme son ombre : ces charges positives constituent son « image » électrique. Lorsque les conditions deviennent favorables à la décharge, l’éclair apparaît et l’on parle d’un coup de foudre négatif. Certains nuages sont aussi porteurs de charges positives qui, avec les charges négatives du sol, vont engendrer un coup de foudre positif ; ils sont plus rares mais développent une énergie beaucoup plus importante et durent plus longtemps, 5 millisecondes contre 500 microsecondes pour un coup de foudre négatif. Les effets des coups de foudre positifs sont donc encore plus dévastateurs. Sans vouloir rentrer dans les détails, sachez cependant qu’un coup de foudre se prépare (apparition de “traceurs” qui vont établir le chemin de l’éclair) et n’est pas unique : plusieurs “répliques” peuvent apparaître et donner l’effet de scintillement que l’on observe en regardant les éclairs. Un éclair s’accompagne souvent de diverses ramifications par rapport à l’arc principal.

Où se produisent les coups de foudre ?
Lorsque la différence de potentiel est suffisamment grande pour engendrer l’éclair, des facteurs prédisposants vont aider à sa formation : plus un objet est haut, donc plus proche du nuage, plus il aura de chance “d’attirer la foudre”. C’est le cas des bâtiments, édifices, pylônes ou arbres de grande hauteur. D’autres paramètres géologiques, tels que la résistivité (résistance électrique) et l’homogénéité du sol, ou météorologiques, tels les vents dans une moindre mesure, peuvent influencer la localisation du point d’impact de la foudre. En milieu agricole, chacun connaît des sites particulièrement exposés aux coups de foudre qui répondent à ces critères. Lorsqu’il s’agit d’étudier une installation de protection contre les coups de foudre, il est nécessaire de connaître le niveau kéraunique du lieu : ce niveau kéraunique représente le nombre de jours par an où l’on entend le tonnerre. Ce niveau varie d’une région à une autre et il existe des cartes le précisant.

En France, le niveau moyen est de 20 ; il s’abaisse à 10 pour les régions côtières et dépasse 30 dans les régions montagneuses. Météorage calcule statistiquement la densité de foudroiement au sol (sensiblement égale au niveau kéraunique divisé par 10) ou nombre d’impacts par an au kilomètre carré. A partir de ces éléments, mais aussi des dimensions, des structures et de l’environnement d’un bâtiment, il est possible d’évaluer des risques de foudroiement. Ainsi pour un niveau kéraunique de 25, soit une densité d’impact de 2,5, le risque pour une maison individuelle est au plus d’un foudroiement tous les huit siècles ! Pour un bâtiment collectif de dimensions moyennes ce risque tombe à 63 ans. Mais pour un bâtiment de grandes dimensions, le risque devient supérieur à deux foudroiements par an ; pour une structure comme la Tour Eiffel il peut aller jusqu’à 10 !