L’électricité dans l’atmosphère

1. L’électricité dans l’atmosphère Les orages / les éclairs Par beau temps la terre est chargée négativement Lors de la formation d’un orage, elle se charge localement de manière positive Les orages assurent le maintien du champs électrostatique sur terre

2. Orages éclairs (thunderstorms) • Apparaissent lors d’un changement brutal d’humidité dans l’air • Se caractérisent par de forts mouvements ascendants et descendants • Sont associés à une perte d’énergie importante dans l’atmosphère • Se forment si: • Présence de cellules d’air chaud humide proche du sol • Sont induites par les instabilités orographiques • Par des discontinuités de masses d’air (mesoscale disontinuity, fig 4.27, 28, 29, 32)

3. Relation entre temps de vie et extension spatiale de divers évènements météo

7. Formation d’un orage • 1ère étape (fig 2.22, sketch A) • Condensation initiale de la cellule chaude humide • Formation de micro-goutelette, qui induit une perte de chaleur latente • Augmentation de volume de la parcelle, et perte de densité • Parcelle hors équilibre, avec vverticale=3-5m/s à la base du nuage, 8-10 dans le nuage, >30m/s @ 2-3’000m plus haut • Perte de chaleur latente, avec Tparcelle>>Tenvironnant

9. Formation d’un orage • 2ème étape (fig 2.22, sketch B) • Formation du cumulo-nimbus • Gouttelettes se transforment en cristaux de glace • Processus de Bergeron-Findeisen: • Humidité relative (air) >>surface de glace, vs surface de gouttelette d’eau • Un noyau de glace favorise le processus de sublimation eau gazeuses > eau glace. • Les « micro-cristaux » sont soulevés par les courants ascensionnels dans le nuage. • Frottement entre gouttelettes d’eau et cristaux de glace, avec vverticale>30m/s, induit l’électrisation dipolaire du nuage par arrachage d’électrons.

11. Formation d’un orage • Fin de développement du nuage (fig 2.22, C) • Dimension du cumulo-nimbus: • ca. 1km de largeur sur les océans • Jusqu’à 4-5km en orographie continentale • Amorce de la pluie: • Resp. environ 15 minute après sa formation sur les océans • Après ½-1hr, en orographie continentale • La pluie est accompagnée d’éclairs ou coups de foudre

12. Initial stage Mature stage Dissipating stage

13. Formation d’un orage Électrisation l’électrification des orages: • Etat initial de la terre • Électrisation du système orage – terre par transfert de charge non inductive dans le nuage • Électrisation complémentaire par « explosion » de cristaux de glace

14. Formation d’un orage Électrisation • Etat initial de la terre • La ionosphère est un milieu chargé positivement (sous l’action du Ray UV, et du Ray cosmique) • La terre est chargée (en moyenne, par beau temps) négativement • La conductibilité de ce système ionosphère/terre correspond à un champs électrique de: • ca. 100V/m à basse altitude • ca. 1’000V/m à 25 km

15. Formation d’un orage Électrisation • Électrisation du système orage – terre par transfert de charge non inductive dans le nuage • Les ions, les gouttelettes d’eau, les cristaux de glace, sont des porteurs de charge dans l’atmosphère. • Le transfert ions/ gouttelettes/cristaux est à l’origine de ce processus (transfert de charge non inductive), par frottement de ces aérosols et arrachage d’électrons. • La base du nuage se charge négativement: ce champs électrostatique induit la formation de charges positives sur terre, ainsi que d’ions positifs au sommet du nuage

16. Formation d’un orage Électrisation • Électrisation complémentaire par « explosion » de cristaux de glace • dans un cristal « super-cooled », le noyau est liquide, caractérisé par la présence d’ions OH-, et plus chaud • « l’écorce » est sous forme de glace, chargée positivement H+, et plus froide. • Les tensions électrostatiques induites par ces charges OH-H+, amènent à l’explosion du cristal • Les micro-cristaux chargés H+ se soulèvent dans les masses d’air ascendantes du nuage • Le cœur (plus lourd, chargé négativement) descend dans le nuage (cf fig.2.23) • Ce processus est assimilable à un transfert de charge non inductive au sein du cumulo-nimbus

18. Les éclairs • 1ers éclairs, de la base du nuage au sol: • Le sol est chargé localement de manière positive (toit, cimes des arbres, ..) • Les charges négatives de la base du nuage, sont transportées par l’éclair vers le sol • Un transfert de charges positives remonte du sol vers le nuage, le long du chemin de l’éclair (chemin d’air ionisé) • Ces transferts de charges vont « neutraliser » la base du nuage

19. Les éclairs • Les prochains éclairs vont « neutraliser » le nuage à mi-hauteur, puis jusqu’au sommet du nuage. • Les éclairs ont lieu du nuage vers la terre (et vice versa), mais aussi: • Entre nuages • À l’intérieur du nuage • La décharge électrique induit un réchauffement local (le long du canal de l’éclair) qui atteint 30’000degC, avec une vitesse de transfert de charge de 100’000km/s, pour un courant équivalent de 100’000A, sur un chemin de 1-2km, avec une durée de vie de 0.05ms à 0.2s. • D’où une onde sonore, le tonnerre, (300m/s) induite par la décharge de l’éclair

20. Les éclairs • La question de l’amorce des décharges ? • En atmosphère sèche on devrait avoir une différence de potentiel de plus de 3.106V/m pour amorcer un éclair • Les observations montrent la présence d’éclairs dès ca. 105V/m • D’où provient l’énergie nécessaire à cette amorce?

21. L’amorce de l’éclair:Une théorie en phase R&D, 2006 • Seul des électrons accélérés à des vitesses proches de celle de la lumière ont une énergie suffisante, dans un champs électrostatique de 105V/m, pour induire l’éclair. • Le rayonnement cosmique, formé de particules subatomiques, (eg. explosion de supernova) bombarde la terre • leur absorption par l’azote et l’oxygène de l’atmosphère terrestre génère ces électrons de très haute énergie, avec production complémentaire de rayons X • Dernier dilemme: les particules subatomiques du rayonnement cosmique dont l’énergie est suffisante pour induire un éclair… ne touche la terre que chaque 50, alors qu’on dénombre 1800éclairs sur terre à chaque seconde ! • Les expériences en cours doivent mesurer l’ensemble du spectre électromagnétique (X ray, gamma ray, ..) lors d’un coup de foudre pour comprendre ce processus de formation des éclairs.

22. http://www.meteocom.ch/new/Fr/0_Fr_Divers/00_EntreeACCUcadre.htmlhttp://www.meteocom.ch/new/Fr/0_Fr_Divers/00_EntreeACCUcadre.html  une selection de situations météo avec coups de foudre

23. COMPARISON OF THREE LIGHTNING DETECTION SYSTEMS OPERATING IN SWITZERLAND Dominique Ruffieux, Jacques Rast, and Thomas FreiMeteoSwiss, Switzerland ECAM2001, Budapest ANETZ, BLIDS, and METEORAGE

25. # de station Station # mesures ANETZ # arcs BLIDS # arcs METEORAGE 03 Jungfraujoch 172058 8166 4494 05 Saentis 184560 14651 4412 19 Chur 1588 10537 5533 21 Sion 7350 6309 4993 31 Genève 9626 18131 8618 33 Guetsch 103894 13627 8889 44 Zuerich 5113 17248 7285 48 Basel 5747 17963 12242 53 Bern 297496 16903 12035 59 Locarno 19600 28260 23675 Total 807032 151795 19% ANETZ 165% METEORAGE 92176 11% ANETZ 60% BLIDS

26. Eclairs enregistrés par les systèmes BLIDS (en haut) et METEORAGE (en bas), 18 août 2000, entre 4 et 6 UTC.

27. Main conclusions of the analysis • The ANETZ network presents many bad data (thresholds/discrimination problems) • BLIDS (Siemens) and METEORAGE are based on the same principle and provide the same level of outputs • The differences between the two systems can mainly be explained by different thresholds used for each system

28. Formation d’un orage > foudre >> Précipitations: caractéristiques et types • Observation Climatologique: • Moyenne annuelle • Variabilité (d’année en année) • Évolution (tendance) • Observation > Hydrologie: • Caractéristique « instantanée » • Relations entre types de pluies.

29. Caractéristique « instantanée » • Intensité de pluie • Définie comme le rapport entre la quantité totale et la durée (mm/hr) • Les plus fortes intensités sont observées lors d’orages de plus courte durée (cf. fig 2.24, sur Washington DC) • Les records d’intensité sur le globe (cf fig. 2.25) • Les plus fortes intensités sont caractérisées par une augmentation de la taille des gouttelettes (mais pas du nombre de gouttelettes)