Tonnerre et éclair, comment fait un orage pour ce son et lumière?

Tonnerre et éclair, foudre et orage…Quels sont ces phénomènes que nous envoie le ciel ? D’où viennent-ils ? Comment se forment-ils ? C’est le mystère que je te propose de découvrir aujourd’hui !

Première étape d’un tonnerre et d’un éclair  : la formation de nuages

Commençons par le début. Il faut savoir que l’air chaud est plus léger que l’air froid. C’est d’ailleurs ce qui fait monter les montgolfières dans le ciel : un bruleur permet de chauffer l’air qui se trouve à l’intérieur du ballon de la montgolfière. Et hop, la voilà qui s’élève dans les cieux. Dans le cas d’un orage, c’est le soleil qui est responsable de l’augmentation de la température de l’air.

L’air ainsi chauffé va monter dans le ciel pour y former des nuages. D’ailleurs, si le sujet t’intéresse, tu peux fabriquer toi-même un nuage en faisant une expérience toute simple ! Ce sont d’abord des nuages qui s’appellent des cumulus qui vont se former. Et si cet air chaud continue à monter encore plus haut dans le ciel, en grossissant au passage, ces cumulus vont se transformer en cumulonimbus. Tu ne trouves pas que les nuages ont des noms de balais de sorciers ? 🙂

Mais revenons à nos moutons !

Les cumulonimbus sont les plus gros nuages qui existent sur terre. Ils font plusieurs kilomètres de large et plusieurs kilomètres de hauteur également. En France, ils peuvent s’étendre sur 12 à 14 km de hauteur. Dans d’autres régions, par exemple vers l’équateur, ils atteignent des hauteurs de 18 km. C’est vraiment un énorme nuage !

Comment l’air chaud peut-il se transformer en nuage ? Grâce à un ingrédient essentiel (utilisé dans l’expérience pour fabriquer un nuage !) : des poussières ! Des particules ! Bref des petits quelques choses qui vont permettre aux molécules d’eau présentes dans l’air ambiant de s’accrocher. On va appeler ces particules des noyaux de condensation si l’eau qui s’y accroche est sous forme liquide (la pluie est proche). On les appellera noyau de cristallisation si cette eau est à l’état solide (attention, il va neiger).

Que se passe-t-il à l’intérieur d’un nuage ?

Comme vu dans cet article, l’état de l’eau (solide ou liquide) va dépendre de la température. Or, plus on monte en altitude et plus il fait froid. Avec un nuage qui fait une quinzaine de kilomètres de haut, il y a naturellement une différence de température entre le haut du nuage et le bas. Ce qui veut dire que, dans un même nuage, il y a de l’eau à l’état solide, en haut du nuage mais il y a également de l’eau à l’état liquide en bas du nuage.

Du fait de la différence de température au sein du nuage, il va y avoir des vents qui vont se mettre à souffler à l’intérieur même de celui-ci. Et ces vents peuvent être très forts puisqu’il n’est pas rare qu’ils atteignent les 130 voire 150 km/h ! Les cristaux de glace et les gouttes d’eau vont alors se transformer en de véritables auto-tamponneuses et s’entrechoquer dans tous les sens. Et ces chocs ne vont pas être sans conséquence ! Des morceaux d’atomes qui constituent les molécules d’eau, appelés des électrons, vont être arrachés. Ces électrons ne restent pas seuls dans l’air, non ! Ils vont s’accrocher à un atomeIl s’agit du plus petit élément qui compose la matière.... More appartenant à une particule voisine. Il y a donc une ségrégation qui se met en place : d’un côté les particules qui ont perdu un électronC’est quelque chose qui est très très petit et qui tourn... More, de l’autre, celles qui en ont gagné un.

Les premières vont s’installer en haut du nuage, les secondes en bas. Voilà qu’il y a une différence de quantité d’électrons entre le haut et le bas du nuage, on appelle cela une différence de potentiel.

Le tonnerre et l’éclair pour rétablir l’équilibre

La nature n’aime pas du tout les différences de potentiel et elle va chercher coûte que coûte à rétablir l’équilibre. Les électrons vont tenter par tous les moyens de retrouver leur particules d’origine. Oui, mais voilà, il y a un problème : l’air qui se situe entre le haut du nuage et le bas du nuage, forme un super isolant. Les électrons sont incapables de passer à travers l’air. Tu peux d’ailleurs lire cet article pour quelques précisions sur les isolants.

Les électrons vont donc continuer à s’accumuler d’un côté du nuage au détriment de l’autre. Ils s’accumulent en si grand nombre, qu’au bout d’un moment, ils vont réussir à quitter les particules qui les ont kidnappés et passer à travers l’air pour aller rejoindre les particules qui sont en manque d’électrons. Mais avant de trouver le chemin vers leurs amours perdus, ils vont se perdre un peu, tenter des chemins qui ne les mèneront nulle part. Ils forment alors des mini-éclaires que l’on appelle traceurs. Ils sont si fins et si rapides qu’ils sont invisibles à l’œil nu.

Du côté des particules en manque d’électrons, c’est le même cirque. Elles tentent de retrouver leur électronC’est quelque chose qui est très très petit et qui tourn... More en formant des traceurs.

Et puis à un moment donné, les traceurs des uns vont rejoindre les traceurs des autres. Les électrons vont alors trouver le bon chemin leur permettant de rejoindre les particules en manque d’électrons. C’est alors qu’ils vont brusquement, violemment et rapidement se déplacer formant alors un véritable éclair visible depuis le plancher des vaches !

Un déplacement d’électrons n’est rien d’autre qu’un courant électrique (comme expliqué par ici). Les éclairs sont donc ce que l’on appelle des arcs électriques.

Tonnerre et éclair, les témoins d’un arc électrique surpuissant

Comme dit plus haut, l’air est isolant. L’éclair n’apparait que lorsqu’ un très grand nombre d’électrons s’est accumulé. C’est donc un courant électrique très fort qui forme l’éclair. Celui-ci est si fort qu’il va chauffer jusqu’à 30 000°C l’air qu’il traverse. Et sais-tu ce qui arrive quand on chauffe quelque chose très très fort ? Et bien il émet de la lumière. Rappelle-toi, du fer chauffé devient rouge-jaune. Et bien là, c’est exactement la même chose ! L’air qui est traversé par l’arc électrique est chauffé si fort, qu’il se met à émettre de la lumière. C’est ce qui nous permet de voir l’éclair.

L‘air chauffé a également une autre propriété : il prend plus de place ! Les atomes présents dans l’air vont s’écarter les uns des autres, occupant ainsi un volume plus important qu’un même nombre d’atomes à une température plus basse. On appelle cela une dilatation.

Lorsque l’arc électrique va chauffer l’air, celui-ci va « gonfler » et pousser l’air qu’il a autour de lui et qui n’est pas chauffé. Celui-ci, bousculé, va alors pousser l’air voisin qui va à son tour être bousculé…et ainsi de suite. Il y a donc une bousculade dans l’air qui forme comme une vague d’atomes. Tout cela en une fraction de secondes.

Et qu’est-ce qu’une vague dans l’air ? Et bien c’est un son qui se propage ! Quand tu parles, tu bouscules légèrement les atomes qui sont dans l’air pour qu’on puisse t’entendre. L’arc électrique, quant à lui, bouscule plus fort les atomes que toi ! C’est le tonnerre !

En conclusion, les électrons qui veulent rétablir l’équilibre forment un arc électrique très puissant. Celui-ci, en chauffant violemment l’air, va provoquer un flash (l’éclair) et un grondement (le tonnerre).

Caractéristiques des éclairs

Il existe différents types d’éclairs : ceux qui se forment à l’intérieur d’un nuage et ceux qui se forment entre deux nuages. Mais il y a aussi ceux qui se forment entre un nuage et le sol puisque le sol lui-même contient des particules en manque d’électrons. Dans ce dernier cas, on parle de foudre.

En France, il y a plus de deux millions d’éclairs par an dont près de 500 000 milles qui touchent le sol selon météocontact. C’est énorme ! Il faut faire très attention à ces éclairs parce qu’ils sont très dangereux ! Enfin, c’est principalement la foudre qui est dangereuse ! Les éclairs qui restent dans le ciel nous dérangent beaucoup moins !

Eclairs et dégâts

Si la foudre touche un bâtiment qui n’est pas protégé, elle peut l’endommager. Pour protéger les bâtiments, on utilise des espèces de grandes antennes, appelées paratonnerre, qui permettent de diriger le flux d’électrons qui arrivent, vers le sol sans rien casser. La foudre peut également déclencher des incendies, en particulier l’été lorsque l’herbe et les arbres sont bien secs.

Pour finir, si la foudre tombe sur une personne (ou un animal), là, cela peut être très très grave. Les blessures peuvent aller de la brulure plus ou moins grave à l’électrocution mortelle. Reste donc bien à l’abris dans ta maison lorsque l’orage éclate !

Eclairs de couleur

Dernière chose dont je voulais te parler c’est la couleur de l’éclair. As-tu remarqué qu’elle peut varier ? La couleur de l’arc électrique va en fait dépendre de différentes caractéristiques : l’intensité de la charge électrique mais aussi des particules qui se trouvent dans l’air (grêle, poussière, pluie, etc.) et pour finir ça va également dépendre de la distance entre l’observateur et l’éclair.

Dis-moi, trouves-tu le tonnerre et l’éclair impressionnants ou plutôt banal ?