Les éclairs filmés au ralenti

Il est rare que l'on présente des vidéos d'éclairs pris au ralenti. Et pour cause, il faut du matériel professionnel à plus de 10000$ (caméras Phantom, Photron, Optronis, ...).

Matthew "Jeff" McHarg de l'USAF a enregistré des éclairs au moyen d'une caméra ultra rapide enregistrant 9000 images/seconde. Voici le résultat d'un enregistrement ralenti 200 fois.

Comment se forment les éclairs ?

Les éclairs sont la manifestation lumineuse qui accompagne une décharge brusque d'électricité atmosphérique. Ces décharges d'électricité jaillissent soit entre un nuage et la terre (catégorie CG), soit entre différentes parties d'un même nuage (catégorie CC ou Crawler), soit enfin entre différents nuages.

Elles trouvent leur origine dans les hautes valeurs locales du champ électrique qui peut atteindre quelques milliers de volts par cm avant la décharge. Les courants de décharge oscillent entre 18 et 31 kA avec des petites variations atteignant 24 kA/ms. Mais ils peuvent atteindre plus de 200 kA pendant quelques microsecondes !
En temps normal l'air constitue un parfait isolant (rappelez-vous les propriétés des capacités); les charges positives et négatives sont dispersées, la différence de potentiel dans un nuage étant très faible.
Les éclairs se manifestent lorsque l'air devient conducteur. Les éclairs sont issus de régions ionisées (nuages ou terre) portées à des différences de potentiel importantes.

Lorsque les électrons chargés négativement dans une région sont fortement attirés par les charges positives présentes dans une autre région (la terre par exemple), la différence de potentiel atteint un tel niveau que des électrons libres s'entrechoquent, provoquant une "avalanche électronique" et créent en quelques nanosecondes un canal ionisé conducteur d'environ 1 m de diamètre au sein du nuage.
Ce canal est constitué d'ions et d'électrons; c'est un plasma conducteur. Près du sol, chargé positivement, les particules étant attirées par leur charge opposée, un canal ionisé s'amorce rejoignant celui formé au sein du nuage. A cet instant l'éclair se manifeste en suivant la trajectoire offrant la moindre résistivité (comme l'eau s'écoulant d'une colline), d'où son parcours en zigzag.

C'est au moment où le canal de retour (d'ordinaire issu du sol) se crée que l'éclair s'illumine et que l'on entend le tonnerre. Dans l'exemple où la foudre va du nuage vers le sol seul le premier éclair de retour présente une structure arborescente tandis que les décharges successives utiliseront toujours le même canal, donnant aux éclairs l'impression de clignoter.

Il peut y avoir jusqu'à 30 décharges de retour venant de la terre en l'espace d'une à deux secondes, donnant l'impression que l'éclair est persistant et très lumineux.

La foudre ne "tombe" donc pas uniquement du ciel mais monte également du sol. En fait lors d'un coup foudre entre un nuage et la terre, le sol étant positif, une première décharge d'électricité se manifeste du nuage vers le sol. Elle se fraye un passage à travers l'atmosphère en se dispersant en plusieurs petits canaux ou fourches en prenant l'aspect d'un escalier.

Lorsque l'une des fourches rejoint un canal issu du sol, le lien s'établit et forme dorénavant le trajet de retour qui permettra à la foudre de décharger des dizaines de milliers d'ampères dans le nuage.

En général le point de rencontre se situe à moins de 100 m au-dessus du sol. Cette première phase exploratoire affichant l'arborescence caractéristique est en général très peu lumineuse car elle ne décharge pas beaucoup de courant dans l'atmosphère. Par contre lorsque la foudre monte vers le nuage, la décharge de courant crée un plasma conducteur qui illumine violemment le canal, c'est l'éclair à proprement dit que vous observez.
Lorsque la foudre est tombée le nuage se recharge de lui-même un certain nombre de fois selon sa maturité et son activité. Certains cellules orageuses peuvent provoquer plus de 100 éclairs par minute tandis que les moins actives émettent un seul éclair durant tout leur cycle de vie, soit en l'espace d'une heure.
L'éclair que l'on aperçoit est accompagné de plusieurs impulsions très intenses d'énergie qui s'étalent au travers du spectre électromagnétique. L'essentiel de cette énergie est constituée d'impulsions continues (CC) qui sont souvent précédées par un rayonnement radioélectrique (RF) qui se manifeste durant les premiers instants de la décharge de l'éclair.
Un bref éclair apparaissant durant 0.25 ms émet un rayonnement radio-fréquence à 1 MHz tout à fait audible sur un récepteur onde-courtes. A mesure que la durée de l'éclair augmente, le signal radioélectrique se décale lentement vers les basses fréquences.

Ainsi une impulsion durant 12 ms par exemple émet un rayonnement RF à 20 kHz. C'est l'énergie contenue dans ce signal radioélectrique qui affecte les appareils électriques sous tension et qui, selon son intensité, impose de mettre en place des mesures de protection. C'est le même type d'impulsion électromagnétique mais amplifié qui est généré par une bombe EMP ou E-bombe.
Pour plus d'information
Vous trouverez d'autres vidéos d'éclairs en slow motion sur YouTube.