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Nous savons enfin comment les éclairs prennent leur forme en zigzag

Tout le monde a déjà vu des éclairs et s’est émerveillé de leur puissance. Mais malgré sa fréquence – environ 8,6 millions de coups de foudre se produisent chaque jour dans le monde – la raison pour laquelle la foudre se déplace en une série d’étapes depuis le nuage d’orage jusqu’à la terre est restée un mystère.

Il existe quelques manuels sur la foudre, mais aucun n’a expliqué comment ces « zigzags » (appelés marches) se forment, et comment la foudre peut se déplacer sur des kilomètres.

Mes nouvelles recherches fournissent une explication.

Les champs électriques intenses dans les nuages d’orage excitent les électrons pour qu’ils aient suffisamment d’énergie pour créer ce que l’on appelle des « molécules d’oxygène delta singulet ».

Ces molécules et ces électrons s’accumulent pour créer une courte étape hautement conductrice, qui s’illumine intensément pendant un millionième de seconde.

À la fin de l’étape, il y a une pause pendant que l’accumulation se produit à nouveau, suivie d’un autre saut lumineux et clignotant. Le processus se répète encore et encore.

L’augmentation des phénomènes météorologiques extrêmes rend la protection contre la foudre de plus en plus importante. En sachant comment la foudre se déclenche, nous pouvons trouver des moyens de mieux protéger les bâtiments, les avions et les personnes.

En outre, si l’utilisation de matériaux composites écologiques dans les avions permet d’améliorer le rendement énergétique, ces matériaux augmentent le risque de dommages causés par la foudre, d’où la nécessité d’envisager une protection supplémentaire.

Qu’est-ce qui conduit à un coup de foudre ?
La foudre se produit lorsque des nuages orageux ayant un potentiel électrique de plusieurs millions de volts sont reliés à la terre. Un courant de milliers d’ampères circule entre le sol et le ciel, avec une température de plusieurs dizaines de milliers de degrés.

Les photographies d’éclairs révèlent une foule de détails non observés à l’œil nu. En général, il y a quatre ou cinq « leaders » faibles provenant du nuage. Ceux-ci sont ramifiés et zigzaguent sur une trajectoire irrégulière vers la terre.

Le premier de ces leaders à atteindre la terre déclenche le coup de foudre. Les autres amorces s’éteignent ensuite.

Il y a cinquante ans, la photographie à grande vitesse a révélé une complexité encore plus grande. Les traceurs descendent du nuage en « marches » d’environ 50 mètres de long. Chaque étape devient lumineuse pendant un millionième de seconde, puis l’obscurité est presque totale.

Après 50 millionièmes de seconde supplémentaires, une autre étape se forme, à la fin de l’étape précédente, mais les étapes précédentes restent sombres.

Pourquoi y a-t-il de telles étapes ? Que se passe-t-il dans les périodes d’obscurité entre les étapes ? Comment les étapes peuvent-elles être connectées électriquement au nuage sans qu’aucune connexion ne soit visible ?

Pour répondre à ces questions, il faut comprendre ce qui se passe lorsqu’un électron énergétique frappe une molécule d’oxygène.

Si l’électron a suffisamment d’énergie, il excite la molécule dans l’état singlet delta. Il s’agit d’un état « métastable », ce qui signifie qu’il n’est pas parfaitement stable, mais il ne tombe généralement pas dans un état d’énergie inférieur avant 45 minutes environ.

L’oxygène dans cet état singulet delta détache les électrons (nécessaires à la circulation de l’électricité) des ions négatifs de l’oxygène. Ces ions sont ensuite remplacés presque immédiatement par des électrons (qui portent une charge négative) qui se fixent à nouveau aux molécules d’oxygène.

Lorsque plus de 1 % de l’oxygène de l’air se trouve dans l’état métastable, l’air peut conduire l’électricité.

Les étapes de l’éclair se produisent donc lorsque suffisamment d’états métastables sont créés pour détacher un nombre important d’électrons. Pendant la partie sombre d’une étape, la densité des états métastables et des électrons augmente.

Après 50 millionièmes de seconde, la marche peut conduire l’électricité – et le potentiel électrique à l’extrémité de la marche augmente jusqu’à atteindre approximativement celui du nuage, et produit une nouvelle marche.

Les molécules excitées créées lors des étapes précédentes forment une colonne jusqu’au nuage. Toute la colonne est alors conductrice d’électricité, sans besoin d’un champ électrique et avec une faible émission de lumière.

Protection des personnes et des biens
La compréhension de la formation de la foudre est importante pour la conception de la protection des bâtiments, des avions, mais aussi des personnes.

S’il est rare que la foudre frappe des personnes, les bâtiments sont souvent touchés – surtout les bâtiments hauts et isolés.

Lorsque la foudre frappe un arbre, la sève à l’intérieur de l’arbre bout et la vapeur qui en résulte crée une pression qui fait éclater le tronc.

De même, lorsque la foudre frappe l’angle d’un bâtiment, l’eau de pluie qui s’est infiltrée dans le béton entre en ébullition. La pression fait éclater tout l’angle du bâtiment, d’où le risque d’effondrements mortels.

Un paratonnerre, inventé par Benjamin Franklin en 1752, est en fait un épais fil de clôture fixé au sommet d’un bâtiment et relié au sol. Il est conçu pour attirer la foudre et mettre à la terre la charge électrique. En dirigeant le flux à travers le fil, il évite d’endommager le bâtiment.

Ces paratonnerres Franklin sont aujourd’hui obligatoires pour les grands bâtiments et les églises, mais le facteur incertain est de savoir combien il en faut sur chaque structure.

En outre, des centaines de structures ne sont pas protégées, notamment les abris dans les parcs. Ces structures sont souvent faites de fer galvanisé hautement conducteur, qui attire lui-même la foudre, et soutenues par des poteaux en bois.

John Lowke, professeur adjoint de recherche en physique, Université d’Australie du Sud.

Adaptation Terra Projects

source : https://www.sciencealert.com/

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