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Les éclairs

vendredi 5 août 2011 par Joëlle Mirabaud

TPE en S de Aude BRUNNER et Aline MIRABAUD.

Sommaire
Problématique
I : Expérience de Wimshurs (protocole, résultats, interprétation)
II : Application de cette modélisation à la réalité (le nuage acquière une différence de potentiel ; le nuage et le sol retrouvent leur neutralité)
III : Eclair et persistance rétinienne (Différentes échelles de vitesses ; enregistrement d’éclair ; impression de persistance des images)
Conclusion
Bibliographie
Annexes

Problématique


Observation : Pour qu’un orage puisse éclater, il faut tout d’abord une atmosphère instable. Cette instabilité est provoquée par la rencontre de masses d’air aux températures très différentes. Plus ces écarts sont importants, plus fort sera l’orage et plus impressionnants seront les éclairs. Les éclairs jaillissent donc au plus fort des orages. La puissance d’un orage peut-être impressionnante quand la pluie, la grêle, les vents violents se déchaînent, accompagnés de lueurs éblouissantes des éclairs et du fracas du tonnerre. D’après Météo France, un orage donne un éclair toutes les 20 secondes, a une puissance de 1 million de kW. Plus les nuages d’orage sont sombres, plus l’éclair est éblouissant.

Impressionnées par sa luminosité, nous nous sommes demandées ce qui pouvait créer une telle lumière.

En comparant avec ce qui nous entoure, nous avons supposé qu’un éclair pouvait fonctionner comme un néon, c’est à dire avec un déplacement d’électrons.
Pour vérifier cette hypothèse, nous avons décidé d’utiliser la machine de Wimshurst.

I . Expérience de Wimshurst

A : PROTOCOLE
Notre manipulation va nous permettre de modéliser le phénomène qui se déroule entre un nuage et la terre lors d’un orage. Pour ce faire, il faut tourner la manivelle afin d’actionner les disques dans le but de créer un éclair entre les 2 éclateurs.

B : RESULTAT
Entre ces deux éclateurs modélisant un nuage et la terre, l’éclair apparaît distinctement. On peut obtenir dans l’air sec des étincelles avoisinant la dizaine de centimètres. Suivant la vitesse de rotation des disques, l’étincelle apparaît plus ou moins vite. Elle apparaît plus rapidement dans le cas où les disques tournent vite. Plus les deux sphères métalliques sont éloignées moins il y a de chances qu’une étincelle se forme.

C : INTERPRETATION
La machine à influence de Wimshurst est constituée de deux disques isolants, en Plexiglas de quelques millimètres d’épaisseur qui tournent en sens inverse avec des vitesses égales.
Les disques sont munis de secteurs conducteurs (lames d’étain) collés sur leur face extérieure contre lesquelles viennent frotter quatre balais garnis de fils métallique portés par des conducteurs diamétraux décalés de soixante degrés l’un par rapport à l’autre.
Au cour de se frottement les lames d’étain se chargent positivement ou négativement suivant la nature des conducteurs : chaque disque possède une nature différente du secteurs conducteurs pour avoir des charges moins d’un côtés et plus de l’autre.
Deux peignes métalliques sont des barres de laiton garnies sur toute leur longueur de pointes acérées. Ils récupèrent les charges électriques crée et conduisent celle-ci aux armatures intérieures de deux bouteilles de Leyde dont les armatures extérieures communiquent entre elles et avec le sol.
Ces charges sont acheminées par conduction vers les éclateurs (les sphères métalliques) qui modélisent le nuage et la terre. La différence de potentiel entre les charges positives et négatives accumulées dans les éclateurs crée les conditions nécessaires à une décharge électrique.
Lorsque la différence de potentiel est assez importante et les sphères métalliques assez rapprochées, l’appareil a besoin de se décharger. Les charges, présentes en excès dans les éclateurs, ionisent l’air par attraction. Une étincelle apparaît alors.
Il n’y a pas d’étincelle lorsque les sphères métalliques sont trop éloignées car l’air est un milieu isolant.

II. Application de cette modélisation à la réalité

A) Le nuage acquière une différence de potentiel :
Les nuages d’orage sont des cumulonimbus (voir leur formation en annexe 1). Ayant atteint leur maturité, ces très gros nuages s’étalent de 200m à 12km d’altitude, aussi existe-t-il un grand contraste de températures entre la base du nuage et son sommet. Les particules se trouvant en haute altitude refroidissent, se condensent et retombent puisqu’elles deviennent plus denses que les particules de plus basse altitude. Puis lorsqu’elles redescendent elles se réchauffent, se dilatent et deviennent alors plus légères. Il se crée ainsi d’importants mouvements de convection, dont la vitesse peut dépasser 25m/s.
C’est pourquoi dans ces nuages d’orage, des gouttelettes d’eau surfondues et de microscopiques cristaux de glace vont être transportés vers le haut par de forts courants ascendants. Quant aux particules de givre (grésil, neige roulée, grêle), plus grosses, elles descendent sous l’effet de la gravité.
Les particules de givre et les cristaux de glace entrent en collision. Ce grand brassage arrache des électrons aux différents éléments par électrification statique. Ainsi il y a création de charges en suspension puis formation d’une structure électrique au sein du nuage lorsque les charges se répartissent.
L’étude de la répartition des charges au sein du nuage reste impossible puisque qu’aucune technologie ne résiste à de telles conditions. Cependant, on constate que les orages sont principalement chargé négativement à la base et positivement à leur sommet. On pourrait expliquer ce phénomène, grâce à plusieurs expériences qui ont montré que, quand des solutions diluées d’eau sont gelées, la glace se charge négativement et l’eau se charge positivement. Or comme nous l’avons vu précédemment les gouttelettes se concentrent dans la partie supérieure du nuage et les particules plus grosses de glace tombent à la base. Par ailleurs, des expériences ont également montré que les grosses gouttes d’eau qui tombent rapidement se chargent négativement, alors que les petites gouttes qui tombent lentement se chargent positivement. La polarisation d’un nuage orageux peut donc être due à la différence de vitesse à laquelle tombent les grandes et les petites gouttes de pluie. Ce qui expliquerait que la polarisation d’un nuage orageux est d’autant plus forte qu’il est étalé en altitude.
Quelque soit la façon dont il se forme, le champs négatif à la base du nuage induit un champs positif à la surface du sol, pouvant s’élever jusqu’à 5 000V/m, agissant alors comme la seconde plaque d’un énorme condensateur. Le nuage et son environnement sont ainsi le siège de champs électriques intenses avec des différences de potentiel d’autant plus élevées que le contraste est grand entre les charges positives et négatives. Le nuage et son environnement sont ainsi le siège de champs électriques intenses avec des différences de potentiel atteignant 100000volts sur quelques centimètres.

Nous allons donc étudier comment le nuage et le sol retrouve leur neutralité au moment de l’émission de l’éclair.

B) Le nuage et le sol retrouvent leur neutralité : ( voir annexe 2)
Quand le potentiel électrique entre deux nuages ou entre un nuage et la Terre atteint une valeur suffisamment élevée (environ 10 000 V par cm), il y a création de foudre, d’éclair et de tonnerre.
Soyons clair :
- la foudre est une décharge électrique intense.
- l’éclair est une lumière violente provoquée par la foudre.
- le tonnerre est un grondement qui accompagne la foudre.
Il existe nombreux éclairs différents : ceux qui partent de la terre vers un nuage, d’un nuage vers la terre, entre deux nuages, dans un même nuage. Nous nous limiterons à l’étude de l’éclair créé par un coup de foudre descendant.

Première étape : le claquage.
En pays tempéré, 90% des coups de foudre descendants débutent à mi-hauteur du cumulonimbus par une petite décharge bidirectionnelle, probablement située entre la charge négative principale et la poche de charge positive inférieure. Cette décharge est appelée claquage préliminaire.

Deuxième étape : le traceur descendant.
Un dixième de seconde après le claquage, apparaît une pré décharge négative, peu lumineuse et hésitante, appelé traceur par bond. Il descend de la base du nuage vers le sol à plus de 200km/s, et atteint le sol en un centième de seconde, en zigzagant, malgré la couche d’air intermédiaire isolante.
Ces changements de direction correspondent à des trajectoires préférentielles car l’air, milieu isolant, possède des régions plus ionisées que d’autres. Ainsi le traceur par bonds se divise et crée des ramifications, afin d’atteindre le sol le plus vite et le plus facilement possible.
Le traceur par bonds est un canal ionisé qui porte un excédent de charges négatives, avec une forte concentration à sa pointe. Lorsque son intensité atteint 4 à 10kV/m, selon les conditions locales, une décharge au sol est imminente. Ce mécanisme préliminaire crée une brèche conductrice dans l’air pour permettre la formation du coup de foudre.

Troisième étape : Jonction des traceurs descendants et ascendants.
Lorsque le traceur par bonds se rapproche du sol, il génère au-dessous de lui un champ électrique, qui croît jusqu’à atteindre des valeurs de l’ordre de 100 kilovolts/m. Lorsque la base du traceur descendant approche du sol, le champs électrique augmente au point de créer des effluves au sommets des proéminences. Cet effet de pointe se crée au sommet de tout objet fixé au sol et conducteur du courant, s’élevant et se terminant en pointe, arbre, pylône électrique, cheminée, clocher… ou homme surtout s’il est debout dans un espace découvert. Les effluves sont des filaments bleu-violet, qui produisent des crépitements caractéristiques. Ce phénomène est connu depuis longtemps sous le nom de feux de Saint-Elme, et correspond à ce que l’on désigne aujourd’hui par "effet de couronne".
De l’une de ces effluves peut naître un filament lumineux ascendant appelé traceur ascendant qui progresse en direction du traceur descendant : les électrons venus du sol s’accumulent au sommet de la pointe et, sous l’influence de leur répulsion mutuelle, être arrachés à cette pointe et gagner l’atmosphère pour y être aussitôt capturés par O2+.
Sur cette photo, un faible traceur ascendant est clairement visible sur l’isolateur de droite. Les 3 globes lumineux sont des surtensions électriques. Un deuxième traceur ascendant est visible à 2-3 mètres à gauche du premier. L’un des traceurs ascendants, le plus proche ou le plus rapide, entre en contact avec le traceur descendant. Le processus de jonction est appelé "attachement". Le canal ionisé est dès lors continu depuis le sol jusqu’au nuage, ouvrant un chemin conducteur de 2 ou 3 cm de diamètre.

Quatrième étape : Foudre, éclair et tonnerre.
Lorsque la liaison s’établit, se produit la décharge principale, un courant circulant du sol vers le ciel. Cette charge positive se propage à 40 000km.s ou même 100 000km/s, elle dure de 1 à 10 microsecondes selon la distance parcourue. Ce coup de foudre principal est rapidement suivi de plusieurs post-décharges. Le processus continue jusqu’à ce que toutes les charges se soient dissipées. En général, un coup de foudre complet dure de 0,01 à 2 secondes et comporte en moyenne 2 à 3 arcs en retour ; leur intensité est comprise entre 3 000 et 500 000 ampères, avec une valeur médiane de 25 000 ampères. Récemment, on aurait même observé quelques cas d’intensité aussi élevée que 500 000 ampères.
Au moment où l’intense courant s’écoule le long du canal ionisé que constitue la réunion des 2 traceurs, ce canal se transforme instantanément en un véritable arc électrique, où les températures atteignent 20 000 à 30 000°K, c’est à dire 5 fois la température du soleil ! La combustion des gaz émet une violente lumière, cet éclair si impressionnant. L’intensité du courant augmente à la puissance cinq en fonction de l’importance de l’orage. Les gros orages peuvent déclencher plus de 100 éclairs à la minute.
Simultanément, l’échauffement des gaz dans le canal ionisé produit une dilatation intense et fulgurante des molécules d’air. Cette élévation de pression explosive crée une onde de choc acoustique, le coup de tonnerre. Distance, longueur et orientation des ondes acoustiques sont très variables, ce qui explique la perception, soit de longs roulements sourds, soit au contraire de claquements secs.

III. Eclair et persistance rétinienne

A : Différentes échelles de vitesse
En général, un éclair complet dure de 0,01 à 2 secondes et comporte en moyenne 2 à 3 arcs en retour. Cette série de "petits éclairs" est enregistré par les appareils scientifiques. Cependant, lorsqu’on observe l’orage, on a l’impression qu’un seul éclair à la fois jaillit du cumulo-nimbus. Pourquoi ?
En fait, la vitesse de l’éclair est très grande ( entre 40 et 50 km par secondes ), et l’œil nu n’est pas assez rapide. Les transformations chimiques dans la rétine sont de l’ordre du 10ième de seconde, puis le message nerveux prend le relais avec une vitesse d’influx nerveux de 1 à 10m/s.

B : Les cellules rétiniennes enregistrent l’éclair
Les rayons lumineux que nous recevons du milieu extérieur traversent les milieux transparents : cornée, humeur aqueuse, cristallin, humeur vitrée.
Les images se forment au fond de l’œil sur une couche photosensible : la rétine contenant des cellules : cônes sensibles à la couleur au niveau de la fovéa, et bâtonnets sensibles à la luminosité en périphérie. L’éclair est enregistré par les bâtonnets contenant le pourpre rétinien ou rhodopsine. La lumière décompose la rhodopsine en rétinal et opsine.
Le pourpre rétinien se reforme extrêmement vite (en environ 1/12ème de seconde). Mais il existe tout de même une rupture à cause de ce très court instant.
Les cellules rétiniennes envoie les sensations visuelles au cerveau par l’intermédiaire du nerf optique.
Le pigment visuel rhodopsine est formé de rétinal, molécule emboitée dans le site actif d’une protéine opsine. En présence de lumière, opsine et rétinal se scindent. Ils peuvent ensuite être recyclés en rhodopsine pour pouvoir de nouveau réagir ultérieurement.
C) L’impression de persistance des images :
Cette impression résulte de plusieurs causes dont les effets se cumulent. Nous venons de voir que les cellules de la rétine sont des capteurs chimiques qui ne réagissent pas instantanément. De plus, la transmission des sensations lumineuses par influx nerveux dans le nerf optique et la formation des images prennent un laps de temps supplémentaire. Le cerveau reçoit 4 informations différentes et en fait la synthèse additive pour reconstituer les couleurs réelles : sensation de luminosité envoyée par les bâtonnets et traduite en zones de gris, sensation de rouge, vert, bleu envoyées par chaque type de cônes.

Au total l’œil ne peut distinguer des images qui se succèdent à moins de un seizième de seconde. Ici la photographie a saisi 2 images du stylo agité vivement. A l’œil nu, on ne voit plus qu’un éventail gris.
Il suffit donc de regarder des images qui défilent à un rythme de plus de 12 images par seconde pour avoir l’impression qu’elles se suivent sans rupture.

Le jeu du Thaumatrope consiste à dessiner un contenu sur la face d’un carton, son contenant sur l’autre, la rotation rapide du carton crée l’illusion de l’éclair en continu. Ce phénomène est à la base de la production d’images animées : kaléidoscopes, carnets, et surtout cinéma et télévision. La succession ultrarapide des décharges donne à l’éclair son apparence vacillante, la persistance rétinienne conservant l’impression de lumière entre 2 décharges.

Conclusion :
Un éclair est la manifestation visuelle de l’orage électrique.
L’appareil de Wimshurst nous a montré que l’électricité statique créée par frottement peut engendrer une production d’électrons, charges qui s’accumulent jusqu’au point de rupture : la décharge électrique.
Un éclair se produit lorsque cette décharge électrique chauffe les gaz de l’air à des températures très élevées, suffisantes pour les rendre lumineux. Les éclairs peuvent exister à l’intérieur même d’un nuage, entre deux nuages ou entre un nuage et le sol. La plupart des décharges se produisent entre nuages. Toutefois, s’il y a assez de charges dans l’air, la décharge s’effectuera entre un nuage et le sol : seul un éclair ,sur quatre frappe le sol.
Ce qu’on appelle communément un éclair de chaleur est souvent un éclair à l’intérieur d’un nuage à une distance trop grande pour qu’on puisse entendre le tonnerre.
Enfin, la vitesse de l’éclair est très grande ( entre 40 et 50km/s) et l’œil nu n’est pas assez rapide pour distinguer les différentes décharges. La succession ultrarapide des décharges donne à l’éclair son apparence vacillante, la persistance rétinienne conservant l’impression de lumière entre 2 décharges.

Bibliographie :
- www.meteo.org/phenomen/orage.htm
- "Traqueur d’orage" de Alex HERMANT, édité par Nathan.
- "Guide de la météorologie" écrit par David M.LUDLUM et René CHABOUD

Annexe 1 : Formation des cumulonimbus

Pour qu’un orage puisse éclater, il faut tout d’abord une atmosphère instable. Cette instabilité est provoquée par la rencontre de masses d’air aux températures très différentes. Plus ces écarts sont importants, plus fort sera l’orage. Durant l’hiver, la différence de température entre basse et haute altitude n’est pas assez grande pour causer cette instabilité. Chaque jour, environ 50000 orages éclatent de par le monde, le plus souvent dans les régions équatoriales car le sol chaud accentue les différences de température. Pour le seul territoire français, on estime à plus d’un million le nombre de coups de foudre qui s’abattent chaque année sur le pays.
Les nuages caractéristiques des orages sont appelés cumulo-nimbus. Enormes masses en forme d’enclume, couvrant plusieurs kilomètres carrés, ils peuvent atteindre souvent 12km d’altitude. Pour se développer, le nuage aspire l’air chaud et humide en dessous de lui, il agit alors comme une véritable pompe.
Le nuage aspire toute l’humidité ambiante, c’est pourquoi l’air est toujours très sec avant un orage. Cette humidité redescendra plus tard sous forme de pluie violente et abondante. La puissance d’aspiration d’un cumulus est telle, qu’il y a une soixantaine d’années, une pluie de grenouilles s’est abattue sur la ville de Teil en Ardèche, les grenouilles avaient été aspirées par le cumulus et étaient retombées sous forme de pluie !

Annexe 2 : Formation d’un éclair


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Lycée Jules-Hardouin Mansart de Saint Cyr L’Ecole (académie de Versailles)
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