Dossier de Mathieu dans l’épisode #24.

Introduction

• Entre 40 et 50 éclairs ont lieu sur la terre chaque seconde, 70% d’entre eux se concentrent dans les zones tropicales.
• Il se produit un séparation des charges électriques dans les nuages, lorsque s’approche un orage:
  • Dans la partie supérieure des nuages s’accumulent des charges positives.
  • La partie inférieure des nuages elle acquière des charges négatives.
  • La charge négative de la partie inférieure des nuages induit une charge positive sur la surface terrestre.
• On sait que les charges de signe opposé s’attirent:
  • Lorsque cette force d’attraction entre zones de charges différentes est trop élevée, il se produit une décharge, un rayon ou éclair.
  • Les charges positives voyagent vers les négatives et vice-versa afin de neutraliser toutes les charges.
• Le problème c’est que normalement il ne peut se produire de décharges dans l’air, car ce dernier est un isolant électrique.
• Pour résoudre cette contradiction, il a fallu attendre 1992, date à laquelle le scientifique russe Aleksandr Gurevichproposa une explication:
  • Les nuages recevraient une aide provenant de l’espace pour déclencher la décharge électrique correspondant aux éclairs.

Electrification des nuages

• Le procédé de séparation des charges dans les nuages n’est pas compris complètement par la communauté scientifique.
• La théorie avancée actuellement la plus probable est la suivante:
  • Lorsqu’un orage approche, il se produit de fort courants d’air chaud ascendants qui entraînent les petites goutes d’eau qui constituent les propres nuages vers le haut.
  • En montant, ces goutes d’eau se refroidissent rapidemment de plusieurs dizaines de degrés en dessous de 0°C.
  • Cas 1– Si la goute d’eau rencontre une particule de poussière ou un cristal de glace préexistant dans le nuage:
    • la goutte d’eau s’y adhère et se congèle.
    • il se forma alors un cristal de glace de plus en plus grand.
    • lorsque son poids ne peut plus être supporté par les courants ascendants, celui-ci se précipite sous forme de flocon de neige ou de grêle.
  • Cas 2– Dans certaines occasions, lors de la friction ou du frottement de la goutte d’eau avec une particule de poussière ou à un cristal de glace préexistant, pas toute l’eau de la goutte ne s’y adhère :
    • un partie de la goutte survit et se convertit en un minuscule cristal de glace indépendant.
    • lors du frottement initial, un transfert de chargepeut avoir lieu:
      • la goutte d’eau transformée en cristal de glace minuscule acquière une charge positive, et vu sa taille très petite, elle continue d’être entraînée par les courant ascendants vers le haut du nuage.
      • le flocon de grêle lui acquière une charge négative, et dû à son poids, il occupe la zone inférieure du nuage.
    • Avec le temps, la zone supérieure du nuage se charge donc positivement via les petites gouttes d’eau cristalisées chargées positivement, alors que les particules plus grosses chargées négativement s’accumulent dans la zone inférieure du nuage proche de la terre.
    • La proximité des charges négatives du nuage avec le sol induisent un autre phénomène:
      • la Terre est considérée comme un conducteur électrique (les charges électriques qui se trouvent en son sein peuvent se déplacer facilement).
      • étant donné que les charges opposées s’attirent, la présence de charges négatives dans la partie inférieure du nuage induit une zone de charges positives sur le sol de la Terre, juste au-dessous du nuage.
    • Finalement on se retrouve donc avec 2 zones où s’accumulent des charges positives (sommet du nuage + sol), alors qu’au milieu se trouve une zone de charges négatives.

Rayons cosmiques

• La décharge électrique n’a pas lieu spontanément dû au fait que l’air est un excellent isolant électrique, le champs électrique qui s’est créé au sein du nuage n’est pas suffisant pour qu’une décharge ait lieu.
• Le nuage reçoit une aide extérieure provenant des rayons cosmiques.
• Ces rayons cosmiques (dont l’origine peut provenir de différentes sources comme les vents solaires, les explosions de supernovas…) bombardent la Terre en permanence et sont composés de particules individuelles possédant de très hautes énergies.
• Quand les particules des rayons cosmiques entrent dans l’atmosphère, elles rentrent en collision avec des molécules présentes dans l’air libérant ainsi toute leur énergie et générant des centaines de nouvelles particules.
  • On sait depuis la théorie de la relativité d’Einstein (E=mc²) que l’énergie peut se convertir en masse (la masse est une forme d’énergie).
• L’énergie des rayons cosmiques se convertit donc en de nouvelles particules dû au choc et à la désintégration des molécules d’air, et ainsi de nombreux nouveaux électrons vont apparaître, chacun d’entre eux portant une partie de l’énergie libérée.
• Si un de ces rayons cosmiques impacte contre un nuage annoncant un orage, des électrons libérés peuvent alors s’introduire dans le nuage préalablement électrifié.
• Ils vont alors se trouver au sein du champs électrique du nuage, ce qui va aider à augmenter encore plus leur énergie.
• Grâce à ces rayons cosmiques et au champs électrique du nuage, un phénomène de génération en cascade d’une avalanche d’électrons a donc lieu, accompagné d’une amplification de leur énergie.
• Si l’énergie de ces électrons de charge négative permet de les amener et de les situer entre la superficie de la Terre chargée positivement et la base du nuage chargée négativement, ils seront alors d’une part attirés par la Terre et d’autre part aussi repoussé par la partie inférieure du nuage, autrement dit il vont être poussés vers le bas dans différentes directions, et c’est ce qui va déclencher la phase initiale de l’éclair, phénomène précurseur appelé traceur, qui précède l’arrivée de la foudre.

Le canal conducteur et la foudre

• Cette phase initiale ou activité précurseur de rapprochement des électrons possédant une énergie élevée vers le sol est responsable d’ouvrir un canal conducteur entre le nuage et la Terre.
• Lors de l’arrivée des électrons précurseurs à une dizaine ou une centaine de mètres de la surface terrestre, une décharge ou étincelle partant d’un point du sol monte à leur rencontre.
• Les ions positifs accumulés sur la superficie terrestre ont tendance à être attirer par ces électrons traceurs en envoyant de petites étincelles (ce qui peut donner une impression que la décharge électrique monte).
• Lorsque une de ces étincelles atteint un son but, le canal conducteur peut s’établir entre la Terre et le nuage.
• Les électrons accumulés dans la partie inférieure du nuage sont alors attirés à leur tour et déchargés librement vers le sol via le canal conducteur sous forme d’un éclair aveuglant (foudre).
• Les ions positifs possèdent une masse mille fois supérieure à celle des électrons, leur mobilité est donc extrêmement plus faible, ce qui justifie que ce soit les électrons provenant des nuages qui se déchargent vers la Terre et non l’inverse.
• Tout au long de la trajectoire de l’éclair, d’une largeur de quelques centimètres, un réchauffement a lieu qui dilate subitement l’air du canal conducteur et génère des ondes de choc, comparables à celles qui sont formées par un coup de canon (tonnerre). Le tonnerre est donc dû à l’expansion explosive qui accompagne une montée soudaine et rapide de la température dans le canal conducteur.

Sources:

http://www.xatakaciencia.com/clima/como-se-producen-los-rayos-1 (article en espagnol)

http://www.xatakaciencia.com/clima/como-se-producen-los-rayos-2 (article en espagnol)

http://www.xatakaciencia.com/fisica/como-se-producen-los-rayos-3 (article en espagnol)

http://www.xatakaciencia.com/fisica/como-se-producen-los-rayos-4 (article en espagnol)

http://www.xatakaciencia.com/fisica/como-se-producen-los-rayos-5 (article en espagnol)

http://www.xatakaciencia.com/fisica/como-se-producen-los-rayos-y-6 (article en espagnol)