Pourquoi tant de foudre en hiver sur la côte de la mer du Japon ?
― L'éclair du « buri-okoshi » tombe d'un seul coup, depuis des nuages bas
Quand on pense à la foudre, on imagine plutôt un orage d'été. Pourtant, sur la côte de la mer du Japon, comme à Hokuriku, c'est en hiver que la foudre tombe le plus souvent. La clé se trouve dans la hauteur de la « couche à moins 10°C », où naît l'électricité dans les nuages. En hiver, cette couche descend tout près du sol.
Fin novembre, un soir à Kanazawa. Une pluie glacée se mêle de petits grains blancs, qui commencent à crépiter contre la fenêtre.
Et soudain, le ciel s'illumine, suivi d'un grondement sourd. Pas de roulement lointain pour prévenir, comme en été.
À Hokuriku, on appelle la foudre de cette saison « buri-okoshi » (le réveil du bar), signe que la pêche hivernale au bar commence. Mais pourquoi la foudre tombe-t-elle en plein hiver ?
Seulement deux raisons
Les vents froids venus du continent traversent la mer du Japon, encore tiède. L'air réchauffé par le bas monte sans cesse, formant des nuages chargés d'électricité, même s'ils restent bas.
L'électricité du nuage naît à l'altitude où la température se situe entre moins 10°C et moins 20°C environ. En hiver, cette couche descend jusqu'à seulement 2 à 4 km, se rapprochant du sol et des tours élevées.
La combinaison de ces deux facteurs donne une foudre de nature très différente de celle de l'été. Voyons cela dans l'ordre.
La mer du Japon en hiver : une « bouillotte » qui fabrique des nuages
En hiver, un vent froid et sec venu de Sibérie souffle du nord-ouest. Or la mer du Japon, que ce vent traverse, reçoit un courant marin chaud venu du sud. Même en hiver, la surface de la mer reste bien plus tiède que le vent qui la balaie.
L'air réchauffé par le bas s'allège et monte, chargé de vapeur. C'est ainsi que se forment les bandes de nuages qui font neiger sur la côte de la mer du Japon. Les plus actifs d'entre eux deviennent des nuages d'orage.
À Kanazawa, on observe la foudre environ 40 jours par an, l'une des fréquences les plus élevées du pays. Et la plupart de ces jours se concentrent entre novembre et janvier.
En hiver, la couche où naît l'électricité est très basse
Dans le nuage, l'électricité naît de la collision entre grains de glace. Quand le grésil (petites billes de glace) heurte de fins cristaux de glace, l'électricité passe de l'un à l'autre. Ce phénomène est particulièrement actif entre moins 10°C et moins 20°C environ.
Plus on monte, plus la température baisse : environ 6,5°C par kilomètre d'altitude. En été, avec 30°C au sol, il faut dépasser 6 km pour atteindre moins 10°C. En hiver, avec 5°C au sol, un peu plus de 2 km suffisent.
Regardez la figure 1. En tournant le curseur pour changer la température au sol, la hauteur de la couche où naît l'électricité monte ou descend. Le cadre en pointillés à gauche indique la position de cette couche en été.
Pourquoi un nuage bas tombe-t-il « d'un seul coup » ?
En été, un nuage d'orage peut dépasser 10 km de hauteur. L'électricité s'accumule très haut, et il faut plusieurs grondements avant que l'éclair n'atteigne le sol.
En hiver, le nuage d'orage est bas, et la zone où s'accumule l'électricité se trouve juste au-dessus du sol. L'éclair peut alors tomber brutalement, d'un seul coup, presque sans prévenir. C'est ce qu'on appelle à Hokuriku le « coup unique » (ippatsu-rai).
Autre particularité : la foudre peut s'élever du sol vers le ciel. Comme le montre la droite de la figure 2, une décharge peut partir du sommet d'une tour élevée ou d'une éolienne, en direction du nuage. Sous l'effet d'un vent fort, le sommet du nuage se déplace latéralement, exposant parfois au sol sa partie positive, habituellement cachée.
La foudre d'hiver est certes plus rare, mais certaines décharges durent plus longtemps et transportent davantage d'électricité, selon les observations. Sur la côte de la mer du Japon, les dégâts causés aux pales d'éoliennes par la foudre d'hiver sont devenus un problème.
L'électricité du nuage naît de la collision entre le grésil et les cristaux de glace. Si de petits grains blancs de grésil tombent en hiver, cela peut signifier qu'un nuage électrisé se trouve juste au-dessus de votre tête.
Alors, que faire ?
- Si une alerte orage est émise en hiver, évitez les grands espaces extérieursComme il y a peu de signes annonciateurs, ne vous dites pas « c'est encore loin ».
- Au premier coup de tonnerre, mettez-vous à l'abri dans un bâtiment ou une voitureNe vous approchez pas des arbres élevés ni des tours.
- Si quelqu'un est frappé par la foudre, appelez immédiatement les secoursL'électricité ne reste pas dans le corps de la victime. N'hésitez pas à la toucher et commencez les premiers secours.
Sur la côte de la mer du Japon en hiver, la foudre peut tomber les jours de neige ou de grésil. Si vous entendez le tonnerre pendant un déneigement, une sortie de pêche, ou sur une piste de ski, mettez-vous immédiatement à l'abri dans un bâtiment ou une voiture.
En résumé
L'électricité du nuage d'orage naît à l'altitude où la température se situe entre moins 10°C et moins 20°C. Sur la côte de la mer du Japon en hiver, la mer chaude nourrit les nuages d'orage, tandis que cette couche descend juste au-dessus du sol. C'est pourquoi la foudre, depuis des nuages bas, tombe avec peu de signes annonciateurs, parfois même vers le haut.
Ce n'est pas la saison qui décide de la foudre, mais l'altitude de la « couche à moins 10°C ».
En hiver à Hokuriku, elle se trouve dans un ciel presque à portée de main.
Pour en savoir plus sur la formation des nuages de neige, lisez « Pourquoi neige-t-il tant sur la côte de la mer du Japon ? », et sur le début des vents froids d'hiver, l'article « Le premier kogarashi ». Pour les bases de la protection contre la foudre, voyez aussi « Pourquoi ne faut-il pas se cacher sous un arbre pendant un orage ? ».
- Comparez le « nowcasting de la foudre » de l'Agence météorologique japonaise un soir d'été et un jour de fort froid en hiver. En hiver, des symboles d'éclairs peuvent s'aligner le long de la côte de la mer du Japon.
- Les jours où la météo annonce « une forte masse d'air froid en altitude », vérifiez si une alerte orage est émise pour Hokuriku.
- Les jours où du grésil tombe en hiver, notez si le tonnerre a grondé ensuite. En multipliant par 0,34 le nombre de secondes entre l'éclair et le tonnerre, on obtient la distance approximative (en km) jusqu'à la foudre.
Faites toujours ces observations depuis l'intérieur d'un bâtiment. Ne sortez pas tant que le tonnerre est audible.
Pour aller plus loin ― termes, formules et liens avec les programmes scolairesDu collège à l'université, le niveau de chaque notion est indiqué clairement
- CollègeNiveau du programme de sciences au collège
- LycéeNiveau des matières « sciences de la Terre » et « physique » au lycée
- Lycée+Approfondissement lycée, ou encadré de manuel
- UniversitéNon enseigné au lycée : matière universitaire spécialisée (électricité atmosphérique, météorologie)
- RecherchePas encore un « savoir établi », même à l'université : sujet encore en cours d'étude par les chercheurs
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Foudre hivernale (tôki-rai) : foudre survenant en hiver sur la côte de la mer du Japon. Depuis des nuages bas, les décharges sont rares mais souvent puissantes.
- Gradient thermique vertical : taux de baisse de la température avec l'altitude. En moyenne, environ 6,5°C par km.
- Grésil : petite bille de glace blanche de quelques millimètres, formée quand des gouttelettes d'eau gèlent autour d'un grain de glace dans le nuage. Acteur principal de l'électrisation du nuage d'orage.
- Buri-okoshi : nom donné à Hokuriku à la foudre qui gronde de la fin de l'automne à l'hiver, coïncidant avec la saison de pêche du bar d'hiver (buri).
CollègeLycéeVérification par le calcul : quelle hauteur pour la couche électrique, été et hiver ?
Calculons, à partir de la température au sol et du gradient thermique, l'altitude où l'on atteint moins 10°C dans le nuage. Comparons l'été et l'hiver.
| Écriture symbolique | h = ( T0 − T ) ÷ Γ |
| En mots | Hauteur où cette température est atteinte = (température au sol − température cible) ÷ baisse de température par km |
| Origine de la formule | Résolution en fonction de la hauteur de l'approximation selon laquelle la température en altitude baisse proportionnellement à la hauteur (T = T0 − Γ × h) |
| Symbole | Signification et unité |
| h | Hauteur où la température cible est atteinte (km) |
| T0 | Température au sol (°C) |
| T | Température cible (ici, moins 10°C) |
| Γ | Gradient thermique vertical (°C/km). On utilise la valeur moyenne 6,5 |
| Gradient thermique vertical | 6,5°C par km |
| Température au sol en été | 30°C |
| Température au sol sur la côte de la mer du Japon en hiver | 5°C |
| Température où l'électrisation devient active | moins 10°C à moins 20°C |
| Été : écart entre le sol et moins 10°C | 30 + 10 = 40 °C |
| Été : hauteur où l'on atteint moins 10°C | 40 ÷ 6,5 ≒ 6,2 km |
| Hiver : écart entre le sol et moins 10°C | 5 + 10 = 15 °C |
| Hiver : hauteur où l'on atteint moins 10°C | 15 ÷ 6,5 ≒ 2,3 km |
| L'été, combien de fois plus haut que l'hiver ? | 6,2 ÷ 2,3 ≒ 2,7 fois |
En hiver, la base de la couche électrique se trouve à environ un tiers de sa hauteur estivale. 2,3 km, c'est à peu près l'altitude du 5e palier du mont Fuji (accessible en voiture). L'électricité du nuage se trouve donc à cette distance du sol.
LycéeLycée+Comment l'électricité se sépare-t-elle dans le nuage ?
LycéeQuand l'air monte, il se dilate et se refroidit (détente adiabatique), d'où la baisse de température en altitude. Dans le nuage, les gouttelettes d'eau restent liquides même sous moins 10°C (surfusion) ; en heurtant des grains de glace, elles gèlent et font grossir le grésil.
Lycée+Lors de la collision entre grésil et cristaux de glace, l'électricité se transfère. En dessous d'environ moins 10°C, le grésil se charge généralement négativement, et les cristaux de glace positivement. Les cristaux légers sont emportés vers le haut, tandis que le grésil plus lourd reste en bas. Ainsi s'accumulent une charge positive en haut du nuage et une charge négative au milieu.
UniversitéSéparation de charge par givrage et caractéristiques de la foudre hivernale
En électricité atmosphérique, on appelle séparation de charge par givrage (mécanisme d'électrisation par givrage) l'électrisation due à la collision entre grésil et cristaux de glace. La température à laquelle le signe de la charge s'inverse est appelée température d'inversion de charge, autour de moins 10°C. On sait que dans la foudre hivernale, la proportion de décharges de polarité positive (où la charge positive du nuage s'écoule vers le sol) est plus élevée qu'en été. On observe aussi fréquemment des éclairs ascendants (partant d'un leader ascendant) depuis des structures élevées vers le nuage, ainsi que des décharges à courant continu de longue durée.
📖 Pour la démonstration de la formule et pour aller plus loin : Gradient thermique vertical (Wikipédia, en japonais) ／ Foudre (Wikipédia, en japonais)
RechercheCe qui n'est pas encore clairement établi
- Le mécanisme détaillé de l'électrisation. Lors de la collision entre grésil et cristaux de glace, la direction du transfert d'électricité dépendrait notamment de la manière dont la glace croît en surface, mais cela n'est pas totalement expliqué.
- Le rayonnement émis par les nuages hivernaux. On a observé, depuis des nuages d'orage hivernaux à Hokuriku, des émissions de rayons gamma durant plusieurs dizaines de secondes. On pense que le champ électrique du nuage accélère des électrons, mais les conditions précises sont encore à l'étude.
- La formation des éclairs ascendants. Les conditions et la fréquence des éclairs ascendants depuis les éoliennes ou les tours font l'objet de recherches en cours, en lien avec la protection des éoliennes contre la foudre.
Ce que décrit cet article reste donc « l'explication en l'état actuel des connaissances ». Hokuriku en hiver est aussi un terrain d'observation suivi de près par les chercheurs du monde entier sur la foudre.
Liens avec les programmes scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Partie correspondante de l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences 4e « électricité statique », « évolution du temps et climat du Japon » | Vents froids d'hiver et nuages de la côte de la mer du Japon, séparation de charge par collision de glace |
| Lycée | Sciences de la Terre « structure de l'atmosphère », physique « champ électrique » | Baisse de température avec l'altitude, accumulation de charges dans le nuage |
| Lycée+ | Approfondissement sciences de la Terre « physique des nuages » | Gouttelettes surfondues et grésil, sens de l'électrisation selon la température |
| Université | Électricité atmosphérique, météorologie | Séparation de charge par givrage, température d'inversion de charge, décharges positives et éclairs ascendants |
| Recherche | Phénomènes de haute énergie dans les nuages d'orage, observation de la foudre | Processus élémentaires de l'électrisation, rayons gamma des nuages d'orage, conditions d'apparition des éclairs ascendants |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Alertes orage sur la côte de la mer du Japon en hiver, évacuation lors du déneigement, de la pêche ou au ski |
- Agence météorologique japonaise, « Observation et statistiques de la foudre »
- Kitagawa Shin'ichirō, La science de la foudre et des nuages d'orage ― de la décharge à l'électricité des nuages, Morikita Shuppan (森北出版)
- Dōmoto Kōichirō, La science de la foudre hivernale, Corona Sha (コロナ社)
- Gradient thermique vertical (Wikipédia, en japonais)
※Cet article est une explication scientifique destinée au grand public. Les valeurs présentées sont des repères et des approximations destinés à faciliter la compréhension du mécanisme. En cas d'alerte orage ou d'avis météorologique, suivez les instructions de l'Agence météorologique, des autorités locales ou des services de secours.