Comment frappe la foudre ? Les scientifiques ont enfin résolu ce vieux mystère

Les risques d’être foudroyé restent faibles. Mais, avec la multiplication des phénomènes météorologiques extrêmes, les orages pourraient bien de plus en plus menacer nos immeubles et nos maisons. D’où l’importance de mieux comprendre comment la foudre frappe. Et c’est justement ce que sont parvenus à faire des chercheurs australiens.

Les oragesorages sont à la fois des phénomènes violents et fascinants. Une atmosphère instable. Un airair chaud à la surface et plus froid en altitude. Un courant ascendant qui fait apparaître des cumulonimbuscumulonimbus électrisés. Le vent qui se déchaîne et la pluie qui tombe. Parfois en grêle. Puis le tonnerre qui gronde, qui claque, qui roule. De longs éclairs qui zèbrent le ciel. Et finalement la foudrefoudre qui frappe le sol à plus de 400 000 kilomètres par heure. Cela arrive plus de 450 000 fois par an, rien qu’en France métropolitaine.

Pour un être humain, la probabilité d’être frappé par la foudre reste malgré tout faible. De l’ordre d’un sur un million. En France, on recense environ 200 personnes touchées chaque année. Mais, pour les bâtiments, le risque est beaucoup plus important. L’Empire State Building, par exemple, est foudroyé quelque 25 fois par an ! Il est protégé par un système paratonnerreparatonnerre — doublé généralement d’un parafoudre.

Un système presque vieux comme le monde. Il a été inventé en 1752, par Benjamin Franklin. Il consiste en un fil qui attire la foudre au sommet du bâtiment et permet de diriger vers la terre, la charge électrique associée pour éviter des dommages. Or, pour bien dimensionner ces paratonnerres, il faut comprendre au mieux le phénomène.

Les chercheurs ont beaucoup étudié les orages. Mais les éclairséclairs, la foudre, ont longtemps su garder leurs mystères. Notamment celui des zigzags qu’ils aiment dessiner dans notre ciel. La légende raconte même que les meilleurs esprits s’y sont cassés les dents. Jusqu’à aujourd’hui et cette étude publiée par des physiciens du plasma de l’université d’Australie du Sud.

Le rôle d’un oxygène excité

En cause, nous racontent-ils, des moléculesmolécules d’oxygène métastablesmétastables singulet-delta. Cela appelle certainement à quelques explications. Notons avant tout que les physiciensphysiciens désignent par oxygène singulet, une molécule d’oxygène (O₂) dans un état excitéétat excité et qui se caractérise par une configuration électroniqueconfiguration électronique différente de celle de l’oxygène habituel.

Au cœur de l’orage, un éclair se dessine ainsi lorsque des électronsélectrons frappent des molécules d’oxygène avec suffisamment d’énergieénergie pour les exciter. L’accumulation de molécules d’oxygène métastables entraîne un détachement significatif des électrons. Ceux-ci forment alors comme une marche très conductrice.

Une marche lumineuse. Une marche qui redistribue le champ électriquechamp électrique vers son extrémité, préparant le terrain pour l’émergenceémergence d’une autre marche créée par ionisationionisation. C’est l’escalade. Les marches successives se combinent pour former une colonne conductrice qui relie l’ensemble au nuage. Tout en restant sombre dans les régions où les électrons demeurent fixés à des molécules d’oxygène classiques.

Ces travaux sont destinés à aider les ingénieurs à mieux nous protéger de la foudre. « C’est particulièrement important maintenant en raison des phénomènes météorologiques extrêmes dus au changement climatique, explique John Lowke, physicien à l’université d’Australie du Sud, dans un communiqué. D’autant que le développement de matériaux composites respectueux de l’environnement dans les avions pour améliorer leur efficacité énergétique augmente considérablement le risque de dommages causés aux avions par la foudre. Nous devons donc envisager des mesures de protection supplémentaires. Et plus nous en savons sur la façon dont la foudre se produit, mieux nous pourrons concevoir des systèmes efficaces. »