Les effets physiques d'un impact de foudre

Comme tout courant électriquecourant électrique, le courant de décharge atmosphérique (engendré par un impact de foudrefoudre) suit les lois usuelles de l'électromagnétisme. Toutefois ses caractéristiques lui donnent une violence irrésistible lorsqu'il se fraie un passage dans des milieux plus ou moins conducteurs.

Foudre tombant sur  la TV Tower Berlin. © Matt Biddulph - CC BY-SA 2.0 

Les effets d'un courant de décharge atmosphérique (engendré par un impact de foudre) sont liés à la présence de tout courant dans un conducteur. Ils sont de différentes natures :

• électriques (charges, courants) ;
• électrodynamiques (forces) ;
• thermiques (dégagement de chaleur) ;
• électromagnétiques (champs rayonnés induisant des surtensions dangereuses dans les circuits électriques) ;
• électrochimiques (décomposition galvanique) ;
• acoustiques (tonnerretonnerre, ondes de pression) ;
• physiologiques (actions sur le cœur et les centres nerveux qui commandent la respiration).

Se protéger contre la foudre : les paratonnerres

On distingue les effets directs (foudroiement direct de structures conduisant à des destructions, des incendies, des brûlures, etc.) et indirects (foudroiement en un point d'impact plus ou moins éloigné d'une structure, engendrant des surtensions qui se propagent, par conduction ou par rayonnement, jusqu'aux équipements de cette structure à protéger).

Contre les effets directs, la protection consiste généralement en l'installation de paratonnerres, ou, plus exactement, d'installations extérieures de protection contre la foudre (IEPF). Contre les effets indirects, elle consiste en l'installation coordonnée de parafoudres, associés aux divers circuits électriques.

Effets électriques d'un impact de foudre

Dans les chemins variés et complexes empruntés par la foudre pour s'écouler vers la terre apparaissent des différences de potentiel importantes sur de faibles distances. Celles-ci provoquent des claquages locaux qui endommagent les conducteurs présents dans le sol.

Troupeau foudroyé (le courant de foudre a traversé les pattes antérieures et postérieures). © Avec l'autorisation du National Geographic

Ces tensions présentent un grave danger pour les êtres vivants, notamment en surface (tension de pas). De plus, des effets électriques indirects, liés au couplage galvanique ou couplage par conduction, engendrent des perturbations sur les lignes d'énergie électrique et sur les lignes de télécommunications ainsi que sur les réseaux de masse.

Effets électrodynamiques

Entre conducteurs parallèles ou quasi parallèles parcourus par des courants de même sens s'exercent des forces d'attraction (antennes tubulaires minces, descentes de paratonnerreparatonnerre et descentes de gouttièregouttière, etc.) qui entraînent des contraintes mécaniques et déforment ces conducteurs qui s'entrechoquent ou même s'écrasent.

Façade foudroyée et lézardée par la violente onde de pression accompagnant l'éclair. © Avec l'autorisation de H. Theys

Ces effets sont négligeables si l'écartement entre conducteurs parallèles dépasse 50 centimètres.

Arbre foudroyé : écorce éclatée. © Avec l'autorisation de H. Theys

Ne confondons pas ces effets électrodynamiques avec l'effet de souffle ou de déflagration capable de briser vitresvitres et parois, de projeter êtres vivants et objets matériels à distance, d'engendrer surdités et hémorragies internes graves, de provoquer l'éclatement explosif de l'écorce des arbresarbres (cf. figure), de mâts mauvais conducteurs, de poutrespoutres et de murailles, là où s'accumule l'humidité (fortes densités de courant), etc.

Effets acoustiques : le tonnerre

Le tonnerre est une onde de choc violente qui génère des pressions importantes à courte distance (pressions de centaines d'atmosphèresatmosphères dans le plasma du canal de foudre). Celles-ci provoquent des bris de vitres proches du point d'impact. L'onde de choc acoustique d'un coup proche (de l'ordre de quelques mètres) est à l'origine des déflagrations importantes citées au paragraphe précédent. La perception du tonnerre ne dépasse guère 10 kilomètres dans les régions tempérées à forte urbanisation et à grande densité de population.

Effets thermiques

La décharge atmosphérique produit la fusionfusion des parties métalliques au point d'impact. Les coups chauds (ceux qui durent plus d'un centième de seconde) peuvent enflammer du boisbois sec et provoquer des incendies. Dans des sols mauvais conducteurs (silicesilice), il y a vitrificationvitrification au passage du courant de foudre (plasma à 30.000 °C !) et formation de fulguritesfulgurites (cf. figure ci-dessous), structures géologiques particulières de sablesable siliceux fondu ressemblant à du verre naturel. Les fulgurites suivent la forme ramifiée des éclairséclairs ; on parle d'éclairs fossilisés.

Fulgurite venant du Sahara libyen exposée au musée de Minéralogie de Dresden. © Avec l'autorisation de H. Theys

Leurs dimensions peuvent atteindre plusieurs dizaines de mètres (exemple : une fulgurite de 35 m de longueur a été extraite du désertdésert libyen). Hormis au point d'impact, la foudre ne peut faire fondre que des fils métalliques assez fins. Les décharges de longue duréedurée entraînent facilement une mise à feufeu. Il faut prendre garde aux mauvais contacts. L'eau contenue dans le bois ou les maçonneriesmaçonneries (en particulier dans les fissures, les jointures, les cavités, la sève des arbres, etc.) s'évapore instantanément et la pression qui en résulte provoque une explosion.

Effets électromagnétiques

Les effets électromagnétiques sont des effets induits sur des boucles ouvertes où les différences de potentiel atteintes peuvent provoquer des étincelles et donc des incendies, surtout en présence de matièresmatières inflammables ou explosibles. Vu l'importance des amplitudes de courant en jeu, des surtensions sont véhiculées jusqu'aux équipements électriques et électroniques en leurs extrémités provoquant des dégâts, voire des destructions complètes, et altérant la qualité du service. Les signaux parasitesparasites détruisent des composants électroniques de plus en plus miniaturisés et donc de plus en plus sensibles aux surtensions.

Effets électrochimiques

Même sur des descentes de paratonnerres fréquemment foudroyés il n'y a pas lieu de s'attendre à des décompositions électrochimiques. La corrosioncorrosion accélérée due à des courants circulant dans le sol est importante sur les conducteurs enterrés (câbles, canalisationscanalisations, installations de mise à la terre, etc.). Toutefois, compte tenu de la courte durée des coups de foudre, ces effets sont généralement négligeables par rapport à ceux provoqués par les courants telluriques (courants électriques qui circulent naturellement dans la Terre, surtout dans les couches sous-jacentes, contenant ou non des parties métalliques, au niveau du sol ; ces courants résultent des champs électriqueschamps électriques induits par les variations du champ magnétique terrestrechamp magnétique terrestre, dès que le sol est légèrement conducteur), appelés aussi courants vagabonds.