La naissance d'un orage :

L'orage est caractérisé par des pluies intenses et de la foudre, dont les éclairs et le tonnerre sont respectivement les manifestations visuelles et sonores. Ce sont des phénomènes fréquents puisque l'on compte environ 1800 orages par minute sur l'ensemble du globe, provoquant des dégâts dans les cultures, endommageant des bâtiments et causant parfois des victimes (la foudre tue près d'un millier de personnes par an). L'orage prend naissance dans un cumulonimbus. Ce type de nuage se forme lorsque des ascendances importantes et localisées d'air chaud et humide viennent alimenter un cumulus. Lors de sa montée, la vapeur d'eau qu'il contient, se condense sous forme de goutelettes. Cette transformation d'état de l'eau, de gaz en liquide, libère de la chaleur, ce qui augmente encore plus la température de l'air, qui continue de s'élever car il est plus lèger que l'air environnant. Ainsi, le cumulus initial se transforme peu à peu en un énorme cumulo-nimbus d'une dizaine de kilomètres de hauteur et de 15 à 25 km de diamètre. Limité par les vents d'altitude (les courants-jets), le sommet du cumulo-nimbus est souvent aplati, ce qui lui donne une forme d'enclume caractéristique. Le cumulo-nimbus apparaît donc comme une formidable machine thermique aspirant plusieurs milliers de kilomètres cubes d'air chaud et humide. Cette aspiration est telle qu'elle entraîne parfois la formation de tornades ou de trombes, mais le plus souvent, c'est l'orage qui éclate. Du fait de son extension verticale, le cumulo-nimbus présente un gradient thermique important : la température au sommet du nuage est de l'ordre de -20 à -30°C, alors qu'elle est supérieure à 0°C à sa base. Il en résulte que l'eau est essentiellement sous forme de cristaux de glace au sommet, et sous forme de goutelettes à la base. Les cristaux de glace subissent une circulation intense dans le haut du nuage : allourdis par les pellicules de glace provenant du captage de nouvelles goutelettes, ils tombent sous l'effet de leur poids, mais sont rapidement remontés par les forts courants ascendants intermittents. Ce brassage induit de multiples chocs entre les cristaux : des électrons leur sont arrachés et ils prennent une charge électrique positive. Ainsi dans un cumulo-nimbus d'orage, le sommet est chargé positivement alors que les gouttes à la base sont chargées négativement.

La foudre, les éclairs et le tonnerre :

Le cumulo-nimbus se comporte comme un énorme condensateur électrique : il accumule les charges et, lorsque le potentiel électrique entre le sommet et la base devient trop importante (plusieurs dizaines de millions de volts), il se produit un courant de décharge qui redonne une certaine stabilité au système : c'est la foudre. Cette décharge électrique peut aussi s'effectuer entre la base du cumulo-nimbus, chargé négativement, et la surface terrestre, chargée positivement : c'est la foudre au sol. La décharge peut enfin se produire entre deux nuages d'orage de charges électriques opposées. La foudre se propage selon un trait en zigzag de quelques millimètres de diamètre. Les molécules d'air, traversées par la foudre, sont excitées et émettent donc de la lumière : l'éclair. Sa durée varie d'un millième de seconde à une seconde, car il peut être composé de plusieurs décharges successsives donnant l'impression qu'il clignote. L'air traversé par la foudre est rapidement porté à une forte température, de l'ordre de 30 000°C, ce qui provoque brutalement sa forte dilatation accompagnée d'une onde de choc : le tonnerre. Dans le monde, la foudre au sol frappe de 50 à 100 fois par seconde. Les impacts atteignent préférentiellement les points élevés : pylônes, clochers, arbres, etc. Lorsque la foudre atteint un arbre, l'eau qu'il contient entre brutalement en ébullition, augmente le volume et le fait exploser : c'est le foudroiement. La prévision des orages et de la foudre passe par la formation des cumulo-nimbus et le suivi de leur évolution. En zone urbaine, la prévention consiste essentiellement dans la protection des bâtiments par des systèmes canalisant les courants de décharge électrique vers la terre : le paratonnerre en est la forme la plus traditionnelle. En zone rurale, il convient de ne pas s'exposer en des lieux prédisposés au foudroiement, sous les arbres par exemple, et de ne pas porter des des objets qui feraient office de paratonnerre (parapluie à structure métallique, piolet en montagne, etc.).

Eclairs :

La vitesse de la lumière est de l'ordre de 300 000 km/s : on peut donc dire que l'on voit instantanément un éclair. La vitesse du son dans l'air est de 330 m/s ; il suffit donc de compter le nombre de secondes écoulées entre l'éclair et le bruit du tonnerre et de multiplier approximativement par 300 pour connaître la distance qui nous sépare de l'orage.

Mécanisme de la foudre au sol :

La foudre au sol s'établit entre la base d'un cumulo-nimbus et un objet ou un être vivant de la surface terrestre. Lorsqu'une petite décharge dite "pilote", s'approche d'un point de la surface terrestre, celui-ci envoie ses charges positives à sa rencontre. Lorsqu'elles se rejoignent, s'effectue l'éclair principal, ou "trait de retour", canalisant les charges négatives du nuage vers le sol.