Pourquoi le tonnerre fait-il tantôt « crac » et tantôt un grondement ?
– Le son naît en un instant, mais met plusieurs secondes à vous parvenir
Le bruit du tonnerre naît à l'instant précis où l'éclair brille, et il naît en même temps sur tout le trajet de la foudre. Pourtant, il dure plusieurs secondes. De près, il claque comme un déchirement ; de loin, il gronde sourdement. Ce qui fait la différence, ce n'est pas la foudre elle-même, mais le « chemin » qui la sépare de votre oreille.
Un soir d'été, la fenêtre s'illumine d'un coup. Vous comptez : 1, 2, 3… puis un grondement grave finit par arriver. Il ne s'arrête pas : 5 secondes, 10 secondes.
Un autre jour, la foudre est tombée tout près. Presque en même temps que l'éclair, un « crac ! » sec a déchiré le ciel.
C'est pourtant le même phénomène. Pourquoi l'entend-on si différemment ? Et pourquoi un éclair, qui dure un instant, produit-il un son si long ?
Deux raisons seulement
Le trajet d'un éclair peut mesurer plusieurs kilomètres. Le son part de toute sa longueur en même temps, mais chaque point est à une distance différente de votre oreille. Les points proches arrivent d'abord, les points lointains ensuite : le son s'étire.
L'air absorbe et affaiblit davantage les sons aigus. Pour un orage lointain, les aigus, qui donnent le côté tranchant, se perdent en route. Il ne reste que les graves, et l'on entend un grondement.
Ce que votre oreille perçoit n'est donc pas le son émis par la foudre. C'est un son étiré, puis rogné par le trajet. Reprenons ces deux points un par un.
Comment un son instantané peut-il durer plusieurs secondes ?
Quand l'éclair jaillit, l'air de son trajet est chauffé en un instant à une température extrême. L'air chauffé se dilate brutalement et repousse l'air autour de lui. Cette secousse, c'est le bruit du tonnerre.
Point important : le son part de tout le trajet, presque en même temps. Un éclair s'étend verticalement sur plusieurs kilomètres, du sol jusqu'à l'intérieur du nuage. Le bas est proche de vous, le haut, dans le nuage, est loin.
Le son avance à environ 340 mètres par seconde. C'est très lent comparé à la lumière : la différence de distance devient donc directement une différence d'heure d'arrivée. Regardez la figure 1. Le son du bas arrive en premier, celui du sommet en dernier. Entre les deux, les sons des points intermédiaires arrivent les uns après les autres.
Sur la figure 1, rapprochez la foudre : l'écart entre les deux traits grandit. Quand la foudre tombe tout près, le sommet, presque au-dessus de vous, et la base sont à des distances très différentes. De loin, cet écart devient petit.
Mais un vrai éclair n'est pas un simple trait vertical. Dans le nuage, il se ramifie sur plusieurs kilomètres à l'horizontale, et chaque branche émet aussi du son. Les échos sur les montagnes et les bâtiments s'ajoutent, en retard. C'est pourquoi, même de loin, le grondement dure souvent longtemps.
Pourquoi le tonnerre lointain devient-il un grondement grave ?
Le son de la foudre mélange des notes aiguës et des notes graves. De près, ce sont les aigus qui donnent le côté tranchant : un « crac » ou un claquement qui déchire.
Or l'air absorbe peu à peu le son et le transforme en chaleur. Et plus le son est aigu, plus il est absorbé. Au fil de plusieurs kilomètres, les aigus s'affaiblissent d'abord, et seuls les graves restent. Regardez la figure 2. À gauche, la foudre proche donne une onde pointue et tranchante. À droite, la foudre lointaine donne une onde douce, aux angles arrondis.
L'oreille joue aussi un rôle. Nous entendons mal les sons très graves. On pense que le tonnerre contient des sons si graves qu'on ne peut pas les entendre. C'est sans doute pourquoi un orage lointain, pourtant peu bruyant, peut faire trembler les vitres.
La lumière arrive presque instantanément, et le son avance d'environ 340 mètres par seconde. Comptez les secondes entre l'éclair et le bruit, puis divisez par 3 : vous obtenez la distance approximative en km. 9 secondes, c'est environ 3 km. Quant aux éclairs lointains sans bruit, on pense que le son s'y affaiblit avant d'arriver ou qu'il est dévié vers le haut.
Alors, que faire ?
Si vous entendez le tonnerre, c'est que la foudre est à portée de son, soit à une dizaine de kilomètres tout au plus. L'Agence météorologique japonaise rappelle que, dès qu'on entend le tonnerre, la foudre peut frapper d'un instant à l'autre, et qu'il faut se mettre aussitôt à l'abri. Ne vous dites pas : « ce grondement est encore lointain, ce n'est pas grave ».
- Dès que vous entendez gronder, réfugiez-vous vite dans un bâtiment ou une voitureNe restez pas à découvert ni en plein champ.
- Ne vous approchez pas des grands arbres ni des poteaux électriquesNe vous abritez pas sous un arbre. Restez à plus de 4 m du tronc et des branches.
- Ne ressortez pas avant environ 30 minutes après le dernier bruitMême quand le bruit s'éloigne, ne vous croyez pas aussitôt en sécurité.
Appelez tout de suite le 119 (les secours au Japon). Une personne frappée par la foudre ne garde pas d'électricité dans le corps : la toucher ne provoque pas d'électrocution. Si elle ne respire pas, pratiquez un massage cardiaque en suivant les instructions, et utilisez un défibrillateur (DAE) s'il y en a un à proximité. Si l'orage continue, mettez-vous aussi en sécurité avant d'aider.
En résumé
Le bruit du tonnerre naît en un instant, sur tout le trajet de l'éclair. S'il dure plusieurs secondes, c'est que chaque point du trajet est à une distance différente de l'oreille, donc que les sons arrivent à des moments différents. S'il paraît grave de loin, c'est que l'air absorbe les aigus, qui s'affaiblissent les premiers en chemin.
La durée du grondement, c'est la longueur de l'éclair.
La gravité du son, c'est la distance qui vous en sépare.
Le principe qui permet de mesurer la distance avec les secondes entre l'éclair et le bruit est présenté dans « L'énergie d'un éclair peut-elle alimenter une maison ? », et la raison pour laquelle les sons lointains portent mieux la nuit dans « Pourquoi entend-on mieux les sons lointains la nuit ? ». Pour savoir comment se protéger de la foudre, lisez aussi « Pourquoi ne faut-il pas s'abriter sous un arbre pendant un orage ? ».
- Un jour d'orage, restez impérativement à l'intérieur et comptez les secondes entre l'éclair et le début du bruit.
- Comptez ensuite la durée du bruit, du début jusqu'à ce qu'il s'éteigne, et notez-la.
- Répétez plusieurs fois, puis comparez les tonnerres « au délai court (proches) » et « au délai long (lointains) » : le son est-il plus tranchant ou plus grave ?
Observez depuis une pièce éloignée des fenêtres, sans sortir. Vous remarquerez que les orages proches commencent par un son sec, et que les lointains ne donnent plus qu'un grondement grave.
Pour aller plus loin – termes, formules, liens avec les manuelsDu collège à l'université : le niveau de chaque passage est indiqué
- CollègeAu programme de sciences du collège japonais
- LycéeAu programme de « physique de base / physique » du lycée
- Lycée+Approfondissement du lycée ou encadré de manuel
- Univ.Cours spécialisés universitaires (acoustique, physique de l'atmosphère), hors programme du lycée
- RechercheQuestions encore étudiées par les chercheurs, pas enseignées comme acquises
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Tonnerre (raimei) : le bruit de la foudre. Il naît quand l'air du trajet de l'éclair est brusquement chauffé, se dilate et repousse l'air autour.
- Vitesse du son : vitesse à laquelle le son avance dans l'air. À 15 °C, elle vaut environ 340 mètres par seconde, et augmente un peu avec la température.
- Absorption du son : l'air transforme peu à peu l'énergie du son en chaleur et l'affaiblit. Plus le son est aigu, plus l'absorption est forte.
CollègeLycéeVérifier par le calcul : combien de secondes dure le grondement ?
Dans les conditions de la figure 1, la foudre tombe à 3 km et son trajet s'élève de 4 km à la verticale. On calcule l'écart entre les heures d'arrivée du son venant de la base (la plus proche) et du sommet (le plus lointain).
| En symboles | T ＝ ( √( d² ＋ h² ) − d ) ÷ v |
| En mots | durée du grondement ＝ (distance au sommet − distance à la base) ÷ vitesse du son |
| D'où vient-elle ? | Le son avance à vitesse constante, donc « durée ＝ distance ÷ vitesse ». Comme le son part de tout le trajet en même temps, l'écart des heures d'arrivée ne dépend que de l'écart des distances. La distance au sommet se calcule avec le théorème de Pythagore. |
| Symbole | Signification et unité |
| T | Durée du grondement (secondes) |
| d | Distance horizontale jusqu'au point de chute (base) (m) |
| h | Hauteur verticale du trajet (m) |
| v | Vitesse du son (m/s) |
| Distance au point de chute d | 3 km (3000 m) |
| Hauteur du trajet h (jusqu'à la zone chargée du nuage) | Supposée de 4 km (en réalité, de l'ordre de quelques km) |
| Vitesse du son v à 15 °C | Environ 340 m/s |
| Vitesse du son selon la température (0,6 × température) | 0.6 × 15 ＝ 9 |
| On l'ajoute à la vitesse à 0 °C | 331.5 ＋ 9 ＝ 340.5 |
| Carré de la distance | 3 × 3 ＝ 9 |
| Carré de la hauteur | 4 × 4 ＝ 16 |
| On additionne | 9 ＋ 16 ＝ 25 |
| Distance au sommet | racine carrée de 25 : 5 km (5000 m) |
| Arrivée du premier son (base) | 3000 ÷ 340 ≒ 8.8 s |
| Arrivée du dernier son (sommet) | 5000 ÷ 340 ≒ 14.7 s |
| Durée du grondement T | 14.7 − 8.8 ＝ 5.9 s |
Bien que l'éclair soit instantané, ses seuls 4 km de hauteur étirent le son sur environ 6 secondes. Pour un éclair ramifié sur plus de 10 km à l'horizontale dans le nuage, le grondement peut durer plusieurs dizaines de secondes.
LycéeLycée+La vitesse du son et la courbure des sons
LycéeDans l'air, la vitesse du son s'écrit à peu près « 331,5 ＋ 0,6 × température (°C) » mètres par seconde. Elle dépend de la température de l'air : plus l'air est chaud, plus le son va vite.
Lycée+En journée, l'air est plus chaud près du sol, et le son se courbe vers le haut pour s'échapper dans le ciel. C'est la réfraction du son. Si l'on n'entend plus guère le tonnerre au-delà d'une dizaine de kilomètres, c'est, en plus de l'absorption, à cause de cette réfraction, qui crée une « zone d'ombre sonore » où le son n'atteint pas le sol.
Univ.De l'onde de choc au son, puis l'absorption par l'atmosphère
On pense que le trajet de l'éclair est chauffé en quelques microsecondes jusqu'à environ 30 000 °C. Sa dilatation se propage d'abord comme une onde de choc. Celle-ci s'affaiblit après quelques mètres et devient une onde sonore ordinaire. Ensuite, deux effets jouent : l'absorption classique, due à la viscosité et à la conduction thermique de l'air, et l'absorption par relaxation vibrationnelle des molécules d'oxygène et d'azote. Le coefficient d'absorption croît à peu près comme le carré de la fréquence : plus le tonnerre est lointain, plus il ne reste que des composantes graves. Des recherches remontent aussi à la forme du trajet à partir de la répartition des heures d'arrivée du tonnerre.
📖 Démonstrations et pour aller plus loin : Tonnerre (Wikipédia en japonais) ／ Vitesse du son (Wikipédia en japonais)
RechercheCe que l'on ne sait pas encore bien
- L'origine des sons graves inaudibles On débat encore pour savoir si les sons très graves du tonnerre naissent uniquement de la dilatation due à la chaleur, ou si les forces électriques dans le nuage y contribuent aussi.
- Dessiner l'éclair à partir du son Certains essais enregistrent le tonnerre avec plusieurs microphones pour reconstituer la forme en 3D du trajet. Jusqu'où l'on peut restituer fidèlement les ramifications invisibles dans le nuage reste à l'étude.
- Le son de la foudre d'hiver On dit que la foudre d'hiver, sur la côte de la mer du Japon, diffère de celle d'été. Les différences de son perçu n'ont pas encore été étudiées en détail.
Cet article reste donc une explication « en l'état actuel des connaissances ». L'essentiel sur la durée et la gravité du grondement est solide, mais des questions restent ouvertes sur les nuances fines du timbre.
Liens avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière et chapitre | Où dans cet article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences, 1re année : « Propriétés du son » | Calculer la distance avec les secondes entre l'éclair et le bruit |
| Lycée | Physique de base : « Ondes sonores » | Vitesse du son et température, calcul de l'écart d'heures |
| Lycée+ | Physique : « Réfraction des ondes » | La « zone d'ombre sonore » où le tonnerre n'arrive plus |
| Univ. | Acoustique, physique de l'atmosphère | Onde de choc, absorption classique et relaxation vibrationnelle |
| Recherche | Électricité atmosphérique | Origine des sons graves, reconstitution du trajet par le son |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Pourquoi se mettre à l'abri dès qu'on entend le tonnerre |
- Agence météorologique japonaise (気象庁), « Observation et statistiques de la foudre »
- Wikipédia en japonais, « Tonnerre » (雷鳴)
- Rakov, V. A. & Uman, M. A. "Lightning: Physics and Effects", Cambridge University Press, 2003
- Few, A. A. "Power spectrum of thunder", Journal of Geophysical Research, 1969
- National Astronomical Observatory of Japan (国立天文台), éd., 『理科年表』 (Chronological Scientific Tables), Maruzen Publishing (valeur de la vitesse du son)
※ Cet article est une explication scientifique grand public. Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur destinés à faire comprendre le mécanisme. En cas d'orage, suivez les informations de l'Agence météorologique japonaise et les consignes des pompiers et des autorités locales.