Avec l'énergie d'un seul éclair, on peut alimenter la maison combien de temps ?
― Ce n'est pas la quantité qui est démesurée, c'est la vitesse
Le ciel s'illumine de blanc, puis, avec un léger retard, un grondement résonne au fond du ventre. Avec une telle puissance, on pourrait croire que ça suffirait à alimenter toute la maison pendant des années. Pourtant, quand on fait le calcul, un seul éclair ne fournit qu'environ une semaine d'électricité pour un foyer ordinaire. Si la foudre reste dangereuse, c'est parce qu'elle comprime cette quantité en un dix-millième de seconde.
Un soir d'été, dehors, il fait soudain sombre par la fenêtre. Peu après, tout l'horizon s'illumine d'un blanc éclatant.
Quelques secondes plus tard, un grondement qui fait vibrer le sol jusque dans les os. On sursaute malgré soi.
Beaucoup de gens se disent alors : « Si seulement on pouvait transformer cette énergie en électricité, on n'aurait plus de facture. » Cette intuition n'a raison qu'à moitié.
Il n'y a que deux points à retenir
La tension d'un éclair est d'environ 100 millions de volts, et le courant d'environ 30 000 ampères. En les multipliant, la puissance de cet instant atteint environ 3 000 milliards de watts. Même l'ensemble des installations électriques du Japon n'y arrive pas.
Cette puissance n'est maintenue que pendant un temps mille fois plus court qu'un clignement d'œil. L'énergie étant « puissance × temps », le total devient étonnamment petit.
Ces deux points sont les deux faces d'un même phénomène. Voyons-les dans l'ordre.
La « puissance » et la « quantité » sont deux choses totalement différentes
Dans la vie courante, on ne fait pas vraiment la différence entre « une énergie énorme » et « une puissance énorme ». Mais en sciences, ces deux notions sont clairement distinctes.
La puissance indique combien on consomme par seconde ; son unité est le watt. La quantité, elle, inclut la durée pendant laquelle cela s'est produit ; son unité est le joule.
Pour prendre l'image d'un bain : la puissance, c'est la force avec laquelle on ouvre le robinet ; la quantité, c'est le volume total d'eau accumulée. Même un robinet fin, laissé ouvert toute la nuit, finit par faire déborder la baignoire. À l'inverse, même un gros tuyau, ouvert seulement 0,1 seconde puis refermé, ne remplira qu'un fond de verre. La foudre correspond à ce « gros tuyau ouvert un bref instant ». Regardez la figure 1.
C'est pourquoi il vaut mieux « éviter » la foudre que la « capter »
Ce calcul mène à une conclusion un peu inattendue : pourquoi les projets de capture de la foudre pour produire de l'électricité ne deviennent jamais concrets.
Si un seul éclair ne fournit qu'une semaine d'électricité pour un foyer, l'opération n'est déjà pas rentable. De plus, on ne peut choisir ni le lieu ni l'instant où la foudre tombe, et l'électricité reçue traverse le dispositif en un dix-millième de seconde. L'appareil censé la capter devrait être bien plus robuste, de plusieurs ordres de grandeur, que le réseau électrique.
Inversement, c'est aussi là que réside le danger. Même si le total est faible, comme il est concentré en un instant, tout ce qui se trouve sur son passage chauffe instantanément à très haute température. C'est pour cela que l'humidité à l'intérieur d'un tronc d'arbre peut se transformer d'un coup en vapeur et faire éclater le tronc.
La lumière arrive quasi instantanément, mais le son ne parcourt qu'environ 340 mètres par seconde. En multipliant le nombre de secondes comptées par 340, on obtient la distance approximative jusqu'à l'éclair. Trois secondes correspondent à environ un kilomètre.
Alors, que faut-il faire ?
- Dès que vous entendez gronder, réfugiez-vous immédiatement dans un bâtiment ou une voitureÉvitez de rester sous un arbre ou au milieu d'un espace dégagé
- Ne vous approchez pas des arbres élevés, des poteaux électriques ni des clôtures métalliquesSi une personne à proximité est frappée, ne vous précipitez pas vers elle : mettez-vous d'abord en sécurité, puis appelez les secours
- Attendez environ 20 minutes à l'intérieur après le dernier grondement entenduMême si le ciel s'éclaircit, un nouveau coup peut survenir
La foudre peut frapper à plusieurs kilomètres du centre du nuage orageux. Considérez que toute la zone où l'on entend le tonnerre est une zone où la foudre peut tomber. Se baisser à l'extérieur n'est qu'un dernier recours quand on ne peut pas se mettre à l'abri : cela ne garantit en rien la sécurité. Privilégiez toujours les informations météorologiques et les consignes des pompiers ou des autorités locales.
En résumé
L'énergie totale d'un éclair équivaut à environ une semaine d'électricité pour un foyer. Ce qui est démesuré, ce n'est pas la quantité, mais la vitesse à laquelle elle est comprimée en un dix-millième de seconde. Trop petite pour être stockée et utilisée, trop rapide pour qu'on reste à proximité. Voilà la vraie nature de la foudre.
Ce qui rend la foudre impressionnante, ce n'est pas la quantité d'énergie qu'elle possède.
C'est la vitesse à laquelle elle la comprime, en moins de temps qu'un clignement d'œil.
Pourquoi la foudre semble-t-elle « choisir » les arbres pour tomber ? La réponse est dans Pourquoi ne faut-il pas se réfugier sous un arbre pendant un orage ?. Sur la difficulté de stocker l'électricité, voir Pourquoi est-il difficile de stocker l'électricité ?.
- Regardez les étiquettes de vos appareils électroménagers et notez trois valeurs de puissance en watts. Le sèche-cheveux, le four à micro-ondes ou l'éclairage sont de bons exemples.
- Estimez combien de minutes par jour vous utilisez chacun, puis multipliez la puissance par cette durée. L'ordre des valeurs peut parfois s'inverser.
- Quand il y a un orage, depuis l'intérieur en sécurité, comptez les secondes entre l'éclair et le tonnerre. Si ce nombre diminue à chaque fois, l'orage se rapproche.
Pour le point 3, faites-le impérativement depuis l'intérieur d'un bâtiment, en restant un peu à l'écart des fenêtres et des murs.
Pour aller plus loin ― vocabulaire, formules et liens avec les programmes scolairesDu collège jusqu'aux matières universitaires spécialisées, chaque niveau est indiqué
- CollègeCe qui s'apprend au collège en sciences
- LycéeCe qui s'apprend en physique au lycée
- Lycée+Contenu approfondi de lycée, ou encart des manuels
- UniversitéContenu non enseigné au lycée, relevant de matières universitaires spécialisées (physique des décharges, électricité atmosphérique)
- RechercheSujet encore à l'étude par les chercheurs, non enseigné comme un « fait établi » même à l'université
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Puissance électrique : la quantité d'énergie transférée par seconde. Son unité est le watt. Correspond à ce que cet article appelle la « puissance ».
- Énergie électrique (ou travail électrique) : la puissance multipliée par le temps. Son unité est le joule, ou le kilowattheure familier des foyers.
- Décharge : phénomène par lequel une charge électrique accumulée traverse brutalement un milieu peu conducteur comme l'air. La foudre en est la forme la plus extrême.
CollègeLycéeVérification par le calcul : combien de jours d'électricité pour un foyer
L'énergie libérée par un éclair varie beaucoup selon les conditions. Faisons le calcul avec des valeurs souvent citées comme représentatives.
| Tension entre le nuage orageux et le sol | environ 100 000 000 volts (100 millions de volts) |
| Intensité du courant qui circule | environ 30 000 ampères |
| Durée de ce courant | environ 0,0001 seconde |
| Électricité consommée par un foyer en un jour | environ 10 kilowattheures comme référence |
| Un kilowattheure converti en joules | 3 600 000 joules |
| Puissance instantanée (watts) | 100 000 000 × 30 000 = 3 000 000 000 000 |
| Énergie libérée (joules) | 3 000 000 000 000 × 0,0001 = 300 000 000 |
| Conversion en kilowattheures | 300 000 000 ÷ 3 600 000 ≈ 83 |
| Équivalent en jours pour un foyer | 83 ÷ 10 ≈ 8 |
Une puissance de 3 000 milliards de watts représente plus de dix fois l'ensemble des installations électriques du Japon réunies. Pourtant, le total ne s'élève qu'à 83 kilowattheures, soit environ 8 jours d'électricité pour un foyer. En facture, cela correspondrait à quelques milliers de yens.
| Volt | Unité de tension. Représente la force qui pousse l'électricité |
| Ampère | Unité de courant. Représente la quantité d'électricité qui circule par seconde |
| Watt | Unité de puissance. S'obtient en multipliant volts et ampères |
| Joule | Unité d'énergie. S'obtient en multipliant watts et secondes |
LycéeLycée+Pourquoi l'air finit-il par conduire l'électricité
LycéeL'air ne conduit normalement pas l'électricité. Mais quand la tension devient extrêmement élevée, des électrons sont arrachés aux molécules d'air, créant un chemin conducteur. On appelle cet état l'ionisation.
Lycée+Dans un éclair réel, un courant faible progresse d'abord vers le sol par bonds de quelques dizaines de mètres, en se ramifiant. Un courant montant se forme aussi depuis le sol, et au moment où les deux se rejoignent, se produit ce coup de lumière éclatant. L'éclair visible correspond en fait à la décharge qui remonte du sol vers le ciel.
UniversitéOù passe l'énergie
On estime que moins d'un dixième de l'énergie libérée est émis sous forme de lumière. La majeure partie sert à chauffer instantanément l'air du chemin parcouru à plusieurs dizaines de milliers de degrés ; cette expansion brutale produit une onde de choc, à l'origine du bruit du tonnerre. Le tonnerre est donc, en quelque sorte, le bruit de l'énergie perdue. La part qui pénètre dans le sol se dissipe en chaleur sous terre.
RechercheCe qui reste mal compris
- Comment tout commence réellement. Les tensions mesurées à l'intérieur des nuages sont souvent d'un ordre de grandeur inférieures à celles théoriquement nécessaires pour percer l'air, et la première étape du processus n'est pas encore établie.
- Comment se sépare l'électricité dans le nuage. On sait que les collisions entre cristaux de glace et grêlons séparent les charges électriques, mais on n'explique pas encore complètement pourquoi le sens de cette séparation varie selon la température et la quantité d'eau.
- Émissions de lumière de haute énergie issues des nuages orageux. Des observations ont révélé que les nuages orageux émettent une lumière extrêmement intense, ce qui relance les recherches sur le mécanisme même de la décharge.
Autrement dit, le contenu de cet article reflète « ce que l'on comprend actuellement ». Les valeurs indiquées ici ne sont que des ordres de grandeur représentatifs, sujets à de fortes variations d'un éclair à l'autre.
Liens avec les programmes scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Partie correspondante de cet article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences ― le courant électrique et ses effets | Différence entre puissance et énergie, lecture de la figure 1 |
| Lycée | Physique ― électricité et énergie | Calcul séparé de la puissance et du total |
| Lycée+ | Physique ― ionisation des gaz | Mécanisme par lequel l'air devient conducteur |
| Université | Physique des décharges ― électricité atmosphérique | Conversion de l'énergie en chaleur et en onde de choc |
| Recherche | Questions non résolues d'électricité atmosphérique | Début de la décharge et séparation des charges dans le nuage |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Décision de se mettre à l'abri dès que le tonnerre s'entend, lecture des watts des appareils |
- Agence météorologique du Japon (気象庁), « À propos des phénomènes violents accompagnés de foudre »
- Agence météorologique du Japon (気象庁), « Recherche de données météorologiques passées »
- Société japonaise d'électricité atmosphérique (日本大気電気学会), éd., Introduction à l'électricité atmosphérique (大気電気学概論) (sur la forme d'onde du courant de décharge de foudre et l'estimation de l'énergie libérée)
- Uman, M. A., The Lightning Discharge (ouvrage de référence traitant de la progression de la décharge et de la répartition de l'énergie)
※Cet article est une vulgarisation scientifique à destination du grand public. Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur destinés à faciliter la compréhension du phénomène ; elles varient fortement d'un éclair à l'autre. Pour vous protéger de la foudre, suivez les annonces de l'Agence météorologique du Japon ainsi que les consignes des pompiers et des autorités locales.