L'électricité atmosphérique

Charges.

L'atmosphère terrestre est le siège permanent d'un champ électrique dirigé vers le sol comme si celui-ci constituait l'armature d'un condensateur de polarité négative.
Par ciel clair le champ est de l'ordre de 100 volts par mètre, mais il est très variable dans le temps; il peut atteindre des valeurs de 30.000 volts par mètre, par temps nuageux, et même s'inverser en polarité. L'origine de ce champ est mal connue; elle peut provenir des rayonnements solaires ou des frottements entre les molécules de l'air, des cristaux de glace des nuages: il est de fait que ces causes perturbent profondément ce champ électrique. Même par temps calme et clair on constate des charges électriques dues à l'ionisation de l'air et qui se dirigent vers le sol. De ce fait, par temps sec et avec des isolateurs propres et en bon état, une antenne peut collecter des charges assez importantes; ces charges s'écoulent vers la terre à travers les circuits; si l'antenne n'est pas reliée à la terre, les charges collectées peuvent s'y accumuler et provoquer une tension d'autant plus élevée que l'antenne est haute et qu'elle a une surface plus importante. Les charges accumulées peuvent produire de petites décharges sous forme d'étincelles aux endroits ou la distance avec d'autres masses métalliques réunies à la terre est assez réduite pour que le potentiel disruptif soit atteint.

Ces décharges, d'apparence anodines, peuvent être désagréables et parfois dangereuses. Si on approche la main du fil de descente on ressent une décharge fort désagréable, mais très rarement dangereuse pour l'homme, étant donné la brièveté du passage du courant; mais toute décharge constitue une étincelle susceptible, soit de claquer des isolants( condensateurs, prises coaxiales), soit allumer des vapeurs d'essence, d'alcool ou des gaz provenant de fuites; bien des explosion ou des incendies n'ont pas d'autre cause. Il faut donc mettre les antennes à la terre, soit par un gros conducteur, soit par un circuit (bobine de couplage à un étage final par exemple).

Un circuit résistant peut aussi écouler les charges et empêcher d'atteindre des tensions importantes sans pour autant dériver une énergie H.F. notable pendant le fonctionnement des circuits. Le mieux est encore de munir l'antenne d'une protection efficace, même pendant le fonctionnement, en créant un point particulier de décharge convenablement protégé, par exemple avec un tube éclateur, ou un simple tube au néon qui s'amorce dès que la tension atteint 80 volts; la décharge se produit sous ampoule de verre et élimine tout danger d'explosion ou d'incendie.

Orages.

Les nuages orageux sont d'énormes cumulo-numbus pouvant couvrir plusieurs dizaine de kilomètres carrés et atteindre une épaisseur de 5 km, ils sont le siège de violents courants ascendants pouvant atteindre 20 mètres par seconde. Survolés en avion on peut y observer le résultat de ces courants sous la forme de bouillonnements voire de véritables éruptions. Les orages de chaleur sont dus à des courants ascendants d'air surchauffé au contact du sol (orages tropicaux).

Les orages cycloniques des régions tempérées sont dus à la rencontre des masses d'air ayant des températures et des humidité très différentes, provoquant des déplacements verticaux et des condensations, ils peuvent contenir 2 à 3 grammes d'eau par mètre cube (3 millions de kilogrammes d'eau par kilomètre cube), soit des milliers de tonnes d'eau soulevées et condensées. Par temps d'orage le champ moyen reste faible, mais des charges de signe contraire apparaissent dans le nuage lui-même. Lorsque le champ à l'intérieur du nuage atteint des valeurs suffisantes, des décharges font leur apparition, soit à l'intérieur du nuage, soit entre nuages de signes opposés, soit entre nuage et sol.

Dans les régions tropicales on compte jusqu'à dix décharges internes pour une au sol; dans nos régions tempérées la proportion est de 0,7. L'éclair, sauf exceptions assez rares (éclair en chapelet, en boule ou en nappe) est un trait lumineux plus ou moins sinueux de direction généralement bien déterminée, avec des ramifications dirigées dans le même sens; le rameau qui s'étend jusqu'au sol est le plus lumineux. Les éclairs peuvent se succéder à intervalle de 10 à 30 secondes, parfois quelques minutes suivant la rapidité de formation des charges.

Des études très poussées ont été faites sur la décharge orageuse principalement par les réseaux de distribution électriques (E.D.F.) en raison des difficultés qu'elles leur créent. En fait un éclair est constitué par un certain nombre de décharges partielles (de 4 à 40) séparées par des intervalles de l'ordre du centième de seconde. La décharge est déclenchée par un trait lumineux peu brillant partant du nuage et cheminant vers le bas par bonds successifs de 10 à 150 microseconde. La vitesse moyenne de propagation est de 100 à 500 kilomètre par seconde.
Lorsque le trait lumineux arrive à 100 ou 150 mètre du sol, la liaison s'établit avec des effluves partant du sol à la vitesse de 20.000 à 150.000 kilomètres par seconde. Ensuite plusieurs décharges aller et retour peuvent se produire avec un caractère oscillant.On admet que l'éclair est déclenché par un champ localisé de 25.000 volts par centimètre pouvant être situé sur seulement quelques centimètres; les ions formés par les rayons cosmiques sont entraînés dans le champ et il se forme alors une véritable avalanche d'électrons et d'ions.

La force électromotrice mise en jeu est mal connue bien que certainement très élevée; on a rarement constaté plus de 300 volts par centimètre en présence d'un sol plat mais bien plus élevé en présence d'aspérités (de l'ordre de 25.000 v/cm pour une décharge de 2 km de haut). Soit environ 6,10° à 5.10° volts. L'énergie pour une décharge de 20 coulombs soit 10 joules donne 10 kilowatts par seconde; si on admet 100 éclairs par seconde sur la surface totale de la terre on arrive à 10 kilowatts ou 1 Tetrawatt; il n'existe pas de centrale électrique de cette puissance! le courant qui explique la luminosité de la décharge, atteint sa valeur de Crète entre 1 et 20 microseconde; sa décroissance est comprise entre 7 et 115 microseconde.

Ce courant peu atteindre exceptionnellement 200.000 A, mais le plus souvent se situe entre 10 et 20.000 A. Une telle onde de courant se renouvelle lors de chaque décharge partielle.

Les points de chute sont assez mal connus, beaucoup n'ayant pas été (ou mal) observés. On connaît mieux ceux qui se situent le long des lignes à haute tension parce qu'ils on fait l'objet d'études systématiques. On estime approximativement de 5 à 30 points de chute systématique par département français. Les points frappés paraissent dépendre de la structure du proche sous-sol et de sa conductibilité, en fait, le relief favorise plus ou moins les courants ascendants et par conséquent la fréquence des décharges, les points élevés étant toujours plus exposés.

Dégâts, conséquences, précautions.

L'allure générale de la décharge dans l'éclair et l'intensité des courants mis en jeu sont de nature à induire des courants intenses ou des surtensions importantes dans les circuits électriques, même parfois éloignés beaucoup de dégâts aux lignes et aux installations sont dus à cet effet d'induction et non à la chute même de la foudre.
Les fusibles des lignes téléphoniques et les éclateurs à néon qui y sont associés seraient pulvérisés par la chute directe alors qu'ils protègent efficacement les bobinages (sonnerie, relais, écouteurs) du téléphone.

L'allure de croissance du courant dans l'éclair en fait une onde à front raide qui franchit difficilement les solénoïdes, sortes d'inductances placées à l'entrée des lignes à haute-tension, et s'écoule plus facilement par les parafoudres.

L'induction produite par ces courants engendre des signaux dits" parasites atmosphériques"; ils sont surtout sensible en grandes ondes (gamme de 100 à 500 KHz) jusqu'à des milliers de kilomètres mais encore nettement perceptibles en THF à quelques centaines de kilomètres; les antennes rotatives utilisées sur ces fréquences permettent de situer facilement la direction de l'orage .
Pour conclure, nous pouvons dire que les antennes décametriques et métriques n'attirent pas plus la foudre que les fils à linge en fer galvanisé ou les clôtures en grillage métallique. Elles constituent tout au plus un point plus élevé.

Elles sont bien plus affectées par les charges statiques normales par temps clair. Une sage précaution consiste à relier pylônes, mats métalliques, fils, ligues, etc. .. en permanence à la terre.

Le paratonnerre lui-même ne constitue qu'une protection limitée à un volume conique d'ouverture 90°et ayant la pointe du paratonnerre pour sommet.