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Foudre en boule_78

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Foudre en boule_78

  1. 1. LA FOUDRE EN BOULE DOCUMENT DE SYNTHÈSE RÉACISÉ EN 1978
  2. 2. LA FOUDRE EN BOULE De nombreux physiciens se s o n t i n t é r e s s é s a l a foudre en boule e t des publications paraissent régulièrement pour commenter l e phénomène, mais il n 'en demeure pas moins que celui- ci n ' e s t pas bien compris, e t que l e processus de for-mation de l a foudre en boule demeure obscur. Les rapports concernant l a foudre en boule ont h i s-toriquement été a c c u e i l l i s avec scepticisme e t l e s études a son s u j e t ont rarement été considérées avec sérieux. Actuellement on estime que l a foudre en boule e s t l a manifestation d' un phénomène atmosphérique r é e l qui, si l'on en crof t l e s rapports, peut mettre en jeu des énergies considérables. (L'équivalent de quelques kilogrammes de TNT) . Aussi certains savants estiment- ils que l a maîtrise de l a foudre en boule e t de l a libération de son énergie au voisinage d 'un missile devrait permettre sa destruction. La compréhension du phénomène présente donc un i n t é r ê t m i l i t a i r e . Actuellement l a foudre en boule apparaît comme l'une des conséquences l e s plus a l é a t o i r e s des déplacements de char-ges électriques entre l e s systèmes aériens e t l e s o l . D e s re-cherches sont entreprises en vue d'expliquer e t reproduire au laboratoire l e s processus de formation.
  3. 3. Pages 1 . INTRODUCTION 2 . DESCRIPTION DU PHENOMENE .............................. 2 . 1 . Existence ................................... 2 .2 . Aspect e t fréquence d'apparition ............ 2 . 2 . 1 . Apparition ........................ 2 . 2 . 2 . Apparence ......................... 2 . 2 . 3 . Durée de vie ...................... 2 . 2 . 4 . Mouvement ......................... 2 . 2 . 5 . Chaleur. son. odeur ............... 2 -2.6. Attraction des objets e t ouvertures 2 . 2 . 7 . Disparition ....................... 2 . 2 . 8 . Différents types de foudre en boule 2.2.9. Fréquence des observations de l a foudre en boule ................... 2 . 3 . Corrélation avec d'autres phénomènes atmosphériques .............................. 3 . MESURES EFFECTUEES ET RESULTATS EXPERIMENTAUX ......... 17 3 . 1 . Mesures acous t iques ......................... 1 7 3 . 2 . Mesures lumineuses .......................... 18 3 . 3 . Etude des i n t e r a c t i o n s é l e c t r i q u e s e t magnétiques ................................. 20 3 . 4 . Prélèvements chimiques e t r a d i o a c t i v i t é ..... 20 3 . 5 . Chaleur dégagée ............................. 21 3 . 6 . Tentat ives de product ion expér imentales ..... 21 3 . 6 . 1 . Produi t s organiques carbonylés .... 22 3 . 6 . 2 . Produits organiques plastiques .... 22 3 . 6 . 3 . Les impulsions l a s e r .............. 23 3 . 6 . 4 . Les décharges radiofréquences ..... 24
  4. 4. -3- Pages 4 . THEORIES ET TENTATIVES D 'EXPLICATIONS .................. 26 4.1. Modèles 3 source d'énergie interne ........... 26 4.2. Modèles 3 source d 'énergie externe ........... 27 4.3. Théories possédant l a meilleure c r é d i b i l i t é ... 28 4.3.1. Radiofréquences .................... 28 4.3.2. Processus chimiques ................ 28 4.3.3. Energie en provenance du nuage ..... 29 5. EFFETS DESTRUCTIFS ..................................... 30 6 . CONCLUSION ............................................. 32 BIBLIOGRAPHIE ........................................ 33
  5. 5. 1. INTRODUCTION j, La foudre en boule est un phénomène électrique atmos-phérique, généralement observé durant l e s périodes orageuses. Il se présente sous l a forme d'un volume globulaire mobile e t extrêmement lumineux dont l e comportement ne semble pas dé-terminé par l e milieu extérieur. Il possède des caractéristiques (mouvement, lumière, apparence, disparition) qui en font un phé-nomène électrique à part. La foudre en boule e s t généralement observée comme un objet de forme sphérique, de diamètre i n f é r i e u r à 40 cm. La surface en e s t faiblement éclairée e t présente des lacunes d'oii semblent s'échapper des flammes. Le mouvement e s t lente-ment descendant à p a r t i r d'un nuage orageux, ou bien a l é a t o i r e à quelques mètres au-dessus du sol. La boule n ' e s t pas affec-tée par l a présence de conducteurs ; e l l e semble toutefois pos-séder une a f f i n i t é occasionnelle pour les c16turest et son mouvement peut aussi é t r e dévié pour pénétrer dans une pièce dont l a fenêtre e s t entrebaillée. La boule lumineuse e s t quelquefois accompagnée d 'une f o r t e odeur, semblable à c e l l e accompagnant lesdécharges élec-triques. Elle a une durée de vie de quelques secondes e t dis-p a r a î t silencieusement, ou plus souvent par explosion. On considère que l a boule e s t dangereuse pour l a vie humaine, depuis que l e phénomène e s t assimilé à une forme de foudre, ce qui n ' e s t pas confirmé (décès du professeur G.W. RICHMANN en 1753 à St-Pétersbourg) , e t , plus récemment, décès simultanés du docteur BABAT ( s p é c i a l i s t e de l a foudre en boule) e t du maréchal NEDELIN ( s p é c i a l i s t e des fusées) au cours d'une expérience en 1960) . L'apparence de la boule "de feu " pendant 1 'observation suggère l a prudence. Selon certaines théories, l a densité d'énergie pourrait ê t r e de l ' o r d r e de 104 ~/cm~D.es dommages observés s u r des s t r u c t u r e s d'avions ont été attribués à un écrasement da à la foudre en .. ./. .
  6. 6. 2. DESCRIPTION DU PHENOMENE 2.1, EXISTENCE La foudre en boule a f a i t l ' o b j e t de t r è s nombreuses publications, t a n t sur l e plan des observations isolées qu'au niveau des t e n t a t i v e s d'explications théoriques. Certains au-teurs estiment q u ' i l s ' a g i t d'une i l l u s i o n d'optique, tandis que certains scientifiques proposent des explications peu vraisemblables. Il semble bien que l e nombre de témoignages r e c u e i l l i s é t a b l i s s e 1 'existence d'un phénomène p a r t i c u l i e r . Toutefois, l a d i v e r s i t é des descriptions, e s t t e l l e q u ' i l e s t d i f f i c i l e d'envisager une explication unique pour 1 'ensemble des obser-vations. Cette d i v e r s i t é a conduit l e s chercheurs à assimiler au phénomène de foudre en boule, tout événement d é f i n i comme t e l par un observateur non a v e r t i . Une enquête menée auprès de 400 personnes, conclut que, lorsqu'un témoin observe un coup de foudre au sol proche, il mentionne l e phénomène dans près de 45 % des cas. La foudre en boule ne s e r a i t donc pas rare. Cette estimation n ' e s t pas invraisemblable puisque, sur l'ensemble de l a oopulation, 4 % des individus diSclarent 1 'avoir observée une f o i s au moins. Certains chercheurs considèrent que c e t t e fréquence élevée pourrait s 'expliquer par un e f f e t d ' i l l u s i o n optique, en p a r t i c u l i e r , l a persistance rétinienne après un éblouissement ; cette explication paraf t d ' a i l l e u r s assez vraisemblable en ce qui concerne l e s descriptions d'une p a r t i e des témoins de "foudre en boule ". ... /. ..
  7. 7. Après un s i è c l e d'hésitations, il apparaît dans la dernière décennie que la majorité des météorologistes et des physiciens considère désormais que l'existence de l a foudre en boule est bien é t a b l i e . Cependant, l a dernière édition de 1 'encyclopoedia b r i tannica af firme q u ' i l n 'existe pas de photographie authen-tique de l a foudre en boule ; c e t t e affirmation ne concerne que l'absence de photographie e t il s e r a i t abusif d'en tirer ar-gument pour n i e r l a v a l i d i t é du phénomène. En conclusion il semble que l a foudre en boule s o i t un phénomène relativement fréquent . Néanmoins, l e s chercheurs ne sont pas actuellement en mesure de l'observer à volonté car ils ne peuvent prévoir 013 n i quand il se manifestera. 2.2. ASPECT ET FREQUENCE D 'APPARITION Certains auteurs mettent en avant l a notion de "foudre en boule typique", qui s e r a i t une sphère lumineuse mobile, apparaissant au cours d'un orage, dont le diamètre s e r a i t d'environ 20 cm e t qui a u r a i t une durée de vie de quel-ques secondes. Mais 1 ' énorme dispersion des indications four-nies par les témoins e s t t e l l e que c e t t e notion de "foudre en boule typique" doit ê t r e a c c u e i l l i e avec réserve. C ' e s t a i n s i que pour l e diamètre, les valeurs annoncées vont de 1 cm à 100 mètres e t que l e s durées de vie s'échelon-nent d'une fraction de seconde jusqu'à une heure sans q u ' i l apparaisse une corrélation entre ces deux paramètres.
  8. 8. Certaines observations ont é t é f a i t e s en 1' absence d'orage ; l ' o b j e t est quelquefois immobile. N i la couleur, n i le b r u i t , n i l'odeur ne présentent de propriétés s p é c i f i-ques. Les chercheurs ont p r i s le p a r t i de prendre en compte toute observation, a t t i t u d e qui l a i s s e l a l i b e r t é d'opérer un tri e t de classer éventuellement en plusieurs catégories des phénomènesd'intérét inégal e t j u s t i c i a b l e s d'explications dif fé-rentes. Un phénomène t r è s s i m i l a i r e , sinon identique à l a foudre en boule, a été rapporté à bord d'un sous-marin au cours d'une décharge 3 t r è s f o r t courant (environ 150 000 A) produit par une source de 260 volts. De nombreux rapports concernent des événements proches de l a production de foudre en boule i n i t i é s accidentellement dans les équigements élec-triques à haute tension. La foudre en boule e t l e s feux de St-Elme sont quelquefois confondus. Le feu de St-Elme e s t une décharge coronaire autour d'un objet pointu conducteur placé dans un champ électrique intense. Conne l a foudre en boule l e feu S t- Elme peut posséder une forme sphérique, m a i s à son con-t r a i r e il doit r e s t e r accolé à un conducteur, même s ' i l se dé-place le long du conducteur. Le feu de St-Elme a d'autre p a r t une durée de vie plus grande que l a foudre en bodle habituelle. D ' après l e s nombreuses observations publiées sur la foudre en boule, il e s t possible de dresser une l i s t e des ca-r a c t é r i s t i q u e s de ce phénomène.
  9. 9. 2 .2.1. Apparition La plupart des observations interviennent l o r s d'une activitg orageuse, Les plus nombreuses, mais pas toutes, se produisent en meme temps qu'une décharge entre s o l e t nuage. Ces boules apparaissent alors a quelques mètres du sol et quelquefois, pr6s du s o l , en l'absence d'un é c l a i r . Les boules ont a u s s i été observées f l o t t a n t a mi-hauteur QU bien descendant d'un nuage vers l e sol. La boule e s t généralement sphérique bien que d'autres formes aient été rapportées. Elle a un diamètre moyen de 10 21 20 cm avec des variations de 1 à 100 cm. Elle se présente sous des couleurs variées, rouge, orange, e t jaune, plus rare-ment bleu, ou v i o l e t t e . La foudre en boule ne possède pas une brillance exceptionnelle, mais e l l e se distingue clairement de jour. La luminosité e t l a t a i l l e sont pratiqumeent constan-tes au cours de l a vie de l a boule mais des fluctuations des deux paramètres sont possibles. 2 . 2 . 3 . Durée de vie La majorité des boules a une durée de vie inférieure à 5 secondes. Une p e t i t e fraction a une durée de vie supé-rieure à l a minute. 2 . 2 . 4 . Mouvement La foudre en boule se déplace l e plus souvent hori-zontalement à une vitesse de quelques mètres pas seconde ; e l l e peut aussi r e s t e r immobile à f a i b l e hauteur au-dessus du s o l ou descendre vers l e s o l . Elle ne monte que tres ra-rement comme cela devrait être l e cas s ' i l s'agissait d ' a i r chaud à pression atmosphérique ou présence des seules forces gravitationnelles. .. ./...
  10. 10. De nombreux rapports indiquent que la boule semble tourner quand e l l e se déplace. Quelquefois, elle rebondit sur les o b j e t s s o l i d e s , t e l s que le sol. 2.2.5. Chaleur, son et odeur Les observateurs ont rarement r e s s e n t i l a chaleur. Toutefois il e x i s t e des témoignages selon lesquels l a boule a brQlé des étables ou f a i t fondre des f i l s métalliques. Un rapport (1966) d é c r i t une foudre en boule heurtant l a sur-face d'une mare avec un b r u i t comparable 3 celui d'un f e r rouge plongé dans 1 ' eau. De nombreux observateur s r appor t ent 1' ob-servation d 'une odeur accompagnant l e phénomène. L 'odeur e s t décrite comme f o r t e e t désagréable, ressemblant à l'odeur d'ozone, du soufre en combustion, ou d'oxydes d'azote. 2.2.6. Attractions exercées par des objets e t ouvertures La foudre en boule semble souvent attachée à des objets métalliques t e l s que barrières ou lignes téléphoniques ; certaines de ces observations se réfèrent sans doute au feu St-Elme. La foudre en boule pénètre souvent dans l e s maisons par les cheminées ou en traversant l e s rideaux ; quelquefois, e l l e traverse l e s v i t r e s ; d'autres rapports mentionnent son apparition à l ' i n t é r i e u r , par exemple à proximité d'un poste téléphonique. 2.2.7. Disparition La disparition de l a foudre en boule s 'effectue selon deux modes différents : silencieusement ou de façon explosive. La disparition explosive e s t rapide et accompagnée d'un b r u i t sourd. La disparition silencieuse peut ê t r e rapide ou lente. La plupart des foudres en boule disparaissent de
  11. 11. de façon rapide. Après l ' e x t i n c t i o n de l a boule, il p e r s i s t e une brume ou quelques résidus. De temps en temps, on a boservé l a fragmentation de la boule en 2 ou 3 boules plus p e t i t e s . 2.2.8. Différents types de foudres en boule Il semble raisonnable de considérer au moins t r o i s types de foudres en boule : - l a foudre en boule dont le mouvement p a r a î t a l é a t o i r e et qui se manifeste au voisinage du s o l , dans une maison ou même dans un avion en vol ; c'est l a foudre en boule gé-néralement présentée comme typique. A l ' i n t é r i e u r , l'explication de sa durée de vie constitue une énigme. Il e s t d i f f i c i l e d'envisager qu'un apport d'énergie puisse provenir de l ' e x t é r i e u r . Les circonstan-ces d'apparition conduisent à penser que certaines va-peurs organiques ou meme des poussières pourraient ê t r e des ingrédients nécessaires. Wes tentatives d'explication proposent l e refroidissement d'un volume d ' a i r chaud suivant l e s mécanismes usuels, s o i t un mélange produisant un dégagement d'énergie par réaction chimique lente, t e l l e une simple combustion. Malheureusement ces explications ne rendent pas compte de l a cohésion de l a boule n i des e f f e t s électriques ob-servés par certains témoins ; - l a foudre en boule qui descend vers le s o l ne peut ê t r e constituée qu' à p a r t i r des éléments contenus dans 1 'at-mosphsre. Il semble que ce type p a r t i c u l i e r s o i t en rap-port avec les précurseur&bui ouvrent l a voie aux dé-charges des é c l a i r s ordinaires. Il s e r a i t alors naturel de considérer que l ' é n e r g i e é l e c t r i q u e peut continuer à s'écouler des nuages par un canal ionisé si peu lumineux q u ' i l s e r a i t i n v i s i b l e , ou encore, grâce à une conducti-b i l i té é l e c t r i q u e d i f f u s e . Compte-tenu de l a modestie . . ./. . . (1) précurseurs, canaux i n i t i a t e u r s d'un é c l a i r dans 134 quels l ' a i r commence à s ' i o n i s e r .
  12. 12. de nos connaissances sur les précurseurs il n ' e s t pas i n t e r d i t de supposer que certaine foudre en boule s o i t 1 ' aboutissement d ' un precurseur incapable de poursuivre sa course Zi l a vitesse habituelle. Ce point de vue e s t d ' a i l l e u r s étayé par des photogra-phies récentes ; - l a foudre en boule qui r e s t e au contact d'un objet me-t a l l i q u e , d i f f è r e du feu de St-Elne par l e s points suivants : . aspect globulaire, couleur souvent rouge au l i e u de bleutée, . absence de prédilection pour l ' e f f e t de pointe. A ces t r o i s types de foudre en boule pourraient cor-respondre des explications théoriques différentes pour l e s-quelles les énergies mises en jeu orendraient des valeurs ex-trémement variables (densités de 1 à los ~/cm~). 2.2.9. Fréquence des observations de l a foudre en boule La foudre en boule n ' e s t peut-être pas un phénbmène aussi rare que ne l e suggère l a d i f f i c u l t é de produire un évé-nement de ce type en laboratoire. D e récents travaux à St-Privat d ' A l l i e r pour déclencher des é c l a i r s au-dessus d'une station t e r r e s t r e ont donné quelques r é s u l t a t s intéressants : une boule de feu, fixe e t au voisinage du s o l , a pu é t r e pro-duite à t r o i s reprises (sur un t o t a l de 45 é c l a i r s déclenchés de 1973 a 1975). 11 e s t à noter toutefois que l e processus de déclenchement ne semble pas favorable à l a génération de foudre en boule. Les événeünneen tsst as ?nistt ldq'uaei l l e u r s t r o p peu nombreux pour permettre dtétablir/pour un phénomène a u s s i v a r i é . Les cher-cheurs américains Mac NALLY e t MYLE ont mené une enquête dans un centre de l a NASA e t ont obtenu suffisamment de réponses s a t i s f a i s a n t e s . Environ 40 % des personnes se trouvant à pro-ximité du point de chute d'un é c l a i r ont observé l a foudre
  13. 13. en boule. Les résultats de cette analyse sont rassemblés dans les courbes (figures 1 et 2) indiquant l a fréquence en fonction du diamètre ou de l a dur6e de vie estimée de la boule FIGURE 1 : Fréquence d'observation en fonction du diamètre
  14. 14. temps (secondes) FIGURE 2 : Fréquence d'observation en fonction de la durée de la boule
  15. 15. Sur 176 4 personnes interrogées, la rQparti tion en dur& d'observation e s t la suivante : I I I I 1 1 i 1 Durée d'observat ion (s) 1 2 * 1 ! 3 1438 i ,8 ;r { Impact d'un é c l a i r 1 179 I 179 i 34 i ! ! I I 17 1 >1 1 I 1 ,! ,! i 1 I 1 ! Foudre en boule ! 111 ! 34 I 1 I : Eclair en chapelet I 39 30 !1 10 1 33 !1 ! ! 1 1! 1 1 1 I I I 1 ! ! 2 . 3 . CORRELATION AVEC D 'AUTRES PHENOMENES ATPIOSPHERIQUES L'étude s t a t i s t i q u e des phénomènes de foudre en boule nécessite de connaitre le degré d 'attention des observateurs. Ce degré d 'attention e s t variable selon 1 'environnement éco-nomique e t social de chaque époque (guerre, i n t é r ê t porté à La météorologie, a t t r a i t gour l e s OVNI) . Le chercheur PANETH a étudié dans ce but un autre type d'événements, a l é a t o i r e , surprenant e t lumineux : l a chute des météorites. Le graphe 3 indique les r é s u l t a t s obtenus e t montre avec quelle cisconspec-tion on doit aborder les r é s u l t a t s d'observations.
  16. 16. FIGURE 3 : Fréquence d'observation des météorites (1) e t de l a foudre en boule (II) Les années 1800 montrent le gain de l ' i n t é r ê t porté aux observations de l a foudre en boule. Les météorologistes s ' i n t é r e s s e n t depuis de nombreuses années à l ' a c t i v i t é s o l a i r e (cycle de 11 ans) e t à ces i n c i-dences possibles sur le temps. Les chercheurs anglais ont é t a b l i une t r è s nette corré-l a t i o n entre a c t i v i t é s o l a i r e e t indice annuel des é c l a i r s en Grande-Bretagne. Il pourrait don en ê t r e de m8me de l a foudre en boule, mais la corrélation e s t la beaucoup plus d i f f i c i l e =I mettre en évidence. C'est ce qu'a essayé de f a i r e l e cher-cheur soviétique ARABADYI sans grand succès (figure 4) .
  17. 17. FIGURE 4
  18. 18. - 17 - 3. MESURES EFFECTUEES ET RESULTATS EXPERIMENTAUX Les mesures effectuées par l e s chercheurs sont orientées vers l a connaissance des phénomènes' de décharge électrique dans l'atmosphère. Ces mesures ont pour but de dé-terminer l e processus de formation de l a foudre en boule. Les d i f f é r e n t s procédés u t i l i s e n t principalement l e s mesures acous-tiques, lumineuses, électriques, chimiques et radioactives. 3.1. MESURES ACOUSTIQUES Pour l ' é t u d e des é c l a i r s les mesures acoustiques e f-fectuées simultanément en plusieurs endroits permettent, d'après l e s temps de propagation et avec l ' a i d e de photogra-phies d'un événement, de r e s t i t u e r avec précision l a géomé-trie de l ' é c l a i r au cours des différentes étapes de l a dé-charge. C e t t e méthode présente toutefois quelques inconvé-nients : - les fluctuations de tenpérature dans l a zone d'étude pertyrbent l a chronologie d 'un enregistrement ; - l e signal acoustique doit ê t r e s u f f i s a n t pour dominer l e b r u i t de fond général : - l e s réflexions ne permettent pas l ' é t u d e de l a décharge au voisinage du sol ; - l e s t r è s basses fréquences associées aux p e t i t e s ramifi-cations sont extrêmement atténuées dans l ' a i r ; - l e s i g n a l , q u i résulte des sons issus de toutes l e s Sour-ces locales du champ d'étude ne permet d'étudier e t de l o c a l i s e r que l e s sources de t r è s haut niveau, les autres ne pouvant etre discriminées en raison de leur complexité. La résolution dépend d ' a i l l e u r s du nombre de capteurs. Les mesures acoustiques n'ont encore pu ê t r e em~loyées à 1 'étude de la foudre en boule.
  19. 19. 3 . 2 . MESURES LUMINEUSES (Réf, 3 1) Elles procèdent de deux techniques principales : - cinématographie ultra- rapide, - photographie e t mesures d'intensité. La cinématographie ultra- rapide permet 1 ' étude du développe-ment de précurseurs. Quelques photographies de foudre en boule ont été réalisées. Les mesures de densité optique ont permis de dg-terminer l a variation de l a luminosité de l a boule, l a fonc-tion du rayon et son évolution dans l e temps. L 'énergie indiquée résulte d ' une étude du chercheur russe DIMITRIEV (Figures no 5 e t n06). luminosité C FIGURE 5
  20. 20. FIGURE 6 Intensité lumineuse en fonction de la distance parcourue (voisine du temps écoulé) . 1 - première extinction apparente II - deuxième II II III - extinction finale
  21. 21. 3 . 3 . ETUDE DES INTERACTIONS ELECTRIQUES ET MAGNETIQUES (Réf. 42) Les études de charge électrique de la boule sont d i f f i c i l e s à r é a l i s e r et le chercheur est amené a spéculer a p a r t i r des observations des mouvements ou e f f e t s produits par l a boule. Les observations semblent indiquer une i n t e r a c-tion électrostatique avec l e sol ou les conducteurs. La boule peut suivre une ligne d i r e c t r i c e (observation du chercheur russe DIMITRIEV le long de l a r i v i è r e Onega oii l a boule s u i t un barrage f l o t t a n t ) . Certaines observations permettent de préciser q u ' i l puisse e x i s t e r un champ hyaerfréquence (chauffage hyperfré-quence d'un anneau de bague) et certaines expériences ont été développées dans ce sens (cf. 3 . 7 ) . Il semble bien que les propriétés électromagnétiques de l a foudre en boule ne pourront é t r e étudiées correctement qu'après avoir résolu l e s problèmes de sa production en laboratoire. 3 . 4 . PRELEVEMENTS CHIMIQUES ET RADIOACTIVïTE DIMITRIEV a effectué quelques prélèvements de 1 ' a i r atmosphérique aprEs le passage d'une foudre en boule. Il constate une augmentation de l a teneur en ozone e t dioxyde d'azote. Les chercheurs de 1' université d'OXFORD ont effectué des mesures de thermoluminescence dans des briques sans doute produites a r t i f i c i e l l e m e n t , soumises au passage de la foudre en boule. Les r é s u l t a t s obtenus semblent montrer q u ' i l n'y a pas i r r a d i a t i o n des matériaux, certains témoins soumis à la foudre en boule ne présentant aucun caractère découlant de l'exposition aux rayonnements ionisants. Ces r é s u l t a t s infirment les hypothèses selon lesquelles l a boule pourrait r é s u l t e r de réactions nucléaires.
  22. 22. 3.5 . CHALEUR DEGAGEE Les estimations sont excessivement variables et la chaleur dégagée pourrait c a r a c t é r i s e r l e type de foudre en boule observé. D e s phénomènes de bralures généralement mo-destes ont é t é constatés. Un témoin raconte qu'une boule tom-bée dans un baquet plein d'eau l'a chauffée ; 1 'apport d'éner-gie serait alors considérable. TENTATIVES DE PRODUCTION EXPERIMENTALE Les t e n t a t i v e s de productions expérimentales ont déja provoqué le décès de plusieurs chercheurs t e l s FCCCHMAN (1753) e t BABAT (1960) . Les conditions de sécurité électrique ont été relativement d i f f i c i l e s a r é a l i s e r m a i s actuellement l'emploi de transmissions pneumatiques e t l'avènement sur le marché des f i b r e s optiques permet a l'expérimentateur de t r a-v a i l l e r dans de bonnes conditions de sécurité. Comme il a été vu, l a foudre en boule a pu ê t r e pro-duite accidentellement par l a m i s e en court- circuit d'une grosse batterie de sous-marin. Le phénomsne de décharge électrique ou l a production de grandes é t i n c e l l e s (sous des tensicns atteignant 30 MV avec des slectrodes écartées d'une dizaine de mètres) ne sont pas favorables il l a génération de la foudre en boule. Les méthodes l e s plus couramment u t i l i s é e s sont fon-dées sur : - l'emploi de produits organiques t e l s que radicaux car-bonyles e t matières plastiques, - l e s impulsions-lasers, - l e s décharges en radiofréquences.
  23. 23. 3.6.1. Produits orqaniques carbonyles Le chercheur français P. HUBERT a réussi 3 produire 2 par injection de matière organique au niveau du s o l , 3 pro- I ximité du point d'impact d ' é c l a i r s déclenchés, un objet lumineux sphérique ressemblant 3 l a foudre en boule. L'objet apparaet avec un r e t a r d de 0,2 s environ par rapport au début de l'bclair e t B quelques mètres du point d'impact. Il e s t ensuite pulsé en synchronisme avec les réamorçages du courant de décharge et s16teint avec l e dernier aprss avoir duré jusqu'a 0,8 S. C e t objet a une forme ronde de 25 cm de diamètre, il r e s t e au contact du s o l où il n 'a l a i s s é aucune trace, La présence de radicaux carbonyles semble être un fat-teur déterminant, sans que l e nombre d 'événements favorables (3) permette de tirer une conclusion d6finitive. D 'autre p a r t , il ne f a i t aucun doute que c e t t e observation s o i t en rapport avec l'écoulement des courants dans le sol avec une prise de terre rudimentaire (synchronisme p a r f a i t entre pulsations de l ' é c l a i r e t de la boule) . Les objets lumineux produits s 'apparentent à une forme de foudre en boule, ?anni l e s moins surprenantes en raison de leur immobilité. Ce type corresoond à 9 % des cas. J Les a u t r e s t e n t a t i v e s de production de foudre en boule décrites ci-après s ' e f f e c t u e n t au laboratoire. 3.6.2. Produits organiques last tiques Le chercheur russe BABYBERDI N produit de p e t i t e s boules lumineuses en provoquant de brusques décharges entre deux électrodes de cuivre isolées par un matériau d i é l e c t r i-que (vinyl ou celluloZde) . La décharge e s t amorcée par une p e t i t e électrode de graphite de 1 mm d'épaisseur. Le-générateur d'impulsion peut fournir 150 kV, un courant maximal de 7 kA, l a durée t o t a l e de la décharge étant de 70 f~s environ, l ' é n e r g i e l i b é r é e de 2,2 kJ. .../...
  24. 24. Dans un grand nombre de cas, un p e t i t objet lumi-nescent d'un diamètre cqris entre 2,5 et 4 cm e s t observé, Sa vitesse de déplacement peut atteindre 240 m/s e t sa durée de vie 3 ms .. L'apparence de la boule est corrélée avec le develop-pement de courants turbulents du plasma a basse température formé desproduits d'érosion du diélectrique et des électrodes. Le mouvement de l a boule de plasma est dû a l'impulsion élec-tromagnétique de décharge puis a l'onde de choc se propageant dans 1 ' atmosphère. Le diamètre et l a durée de vie croissent avec l ' é n e r-gie de l a décharge. L ' u t i l i s a t i o n d'une sonde à e f f e t Hall n ' a pas permis de trouver des déséquilibres de charges à l ' i n-t é r i e u r de l a boule ; des mesures spectrales ont donné les r é s u l t a t s habituels obtenus pour l a recombinaison d 'un plas-ma d ' a i r contenant des impuretés de carbone et cuivre. Les caractéristiques du phénomène obtenu sont un peu différentes des foudres en boule classiques, toutefois c e t t e expérience devrait permettre de parvenir a une meilleure con-naissance du phénomène. 3 . 6 . 3 .Les impulsions -laser Les impulsions-laser de courte durée ont été employées pour produire le claquage optique d'un gaz par focalisation du faisceau. Une énergie de 1 joule e s t libérée en 30 ps e t un sphérolde de -lasma de 0,6 m de diamètre est formé au point de focalisation, sa durée de vie e s t de 10 p. L'onde de choc provoque le mouvement de l a "boule en feu" pendant l a période où l ' a c t i o n ionisante e s t importante. Les chercheurs russes ont développé des formules em-piriques déterminant les caractéristiques du plasma : Rayon & A E 2/5 E énergie m i s e en jeu 1/2 A, Br C constantes Tdurée de vie 'J,B E
  25. 25. Le moment magnétique du plasma a été détermine par une méthode de perturbation x2c-E Po Le modèle développé d'expliquer un grand nombre et la valeur obtenue est : pl masse volumique du milieu à l'Institut LEBEDEV permet de ohénomènes , Notons toutefois q u ' i l s 'applique a de t r è s p e t i t e s boules de plasma ; la pro-duction d'un sphgrolide de 20 cm de diamètre n é c e s s i t e r a i t l ' u t i l i s a t i o n d'une énergie de 2 MJ, sa durée de vie s e r a i t de 15 ms. Les r é s u l t a t s obtenus ne peuvent donc s'extrapoler aux phénomènes de foudre en boule atmosphérique ; des etudes visant à 1 ' u t i l i s a t i o n de lasers de plus hautes énergies sont en cours dans d i f f é r e n t s laboratoires. Le problh de l ' i n t e r a c t i o n du l a s e r avec l e milieu, e s t au centre de cer-taines études concernant 1' arme l a s e r e t donne l i e u a de nom-breux travaux t r è s c l a s s i f i é s . 3.6.4. Les décharges radiofréquences Une approche intéressante a été développée par les chercheurs méricains du BROOKHAVEN NATIONAL LABORATORY POWELL e t FINKELSTEIN , u t i l i s a n t le phénomène d 'activation de l ' a z o t e . ~E~aG mHont ré que de 1'a zote e x c i t é pouvai t encore produire une faible luminosité une demi-heure après que l a décharge a i t été arrêtée, Cette lumière e s t produite par l a recombinaison de l ' a z o t e atomique, I c i , les chercheurs se sont intéressés aux excitations moléculaires de persistance moins importante (0,5 à 1 s) . POWELL u t i l i s e une source d'une puissance de 30 KW et de fréquence 75 MHz,
  26. 26. L'appareil u t i l i s e un cyclindre de verre de 15 centi-mètres de diamètre connecté a l ' o s c i l l a t e u r radiofréquence . Un arc electrique se forme au point de séparation des deux électrodes. Quand 1' électrode mobile est con>l&tement rétractée a l ' i n t é r i e u r du cylindre, une longue colonne de plasma se forme à l'extrêmité de l'électrode fine et devient en f a i t une antenne connectée à l ' o s c i l l a t e u r . L'émission est supprimée 2i c e t i n s t a n t . Le plasma se détache formant une boule lumineuse. La durée de vie est de 0,5 a 1 seconde en atmosphère confinée et de 0,2 à 0,4 seconde en atmosphère l i b r e , Trois parmètres semblent déterminants 3 l a pression du gaz, sa composition, et l a composition des électrodes. - La pression doit é t r e de l ' o r d r e de 0,5 à 3 atmosphères, - La composition du gaz a été étudiée dans différentes con-ditions : N2 02, e t N20 a des concentrations variables permettant d'obtenir de bons r é s u l t a t s . Argon et CO2 produisent des plasmas de quelques millisecondes. La lumière produite par N2 est pâle tandis que celle produite par O2 e s t trss vive. N20 engendre des boules de 50 cm de diamètre, de couleur orange, et durant 2 S. Il semble d ' a i l l e u r s q u ' i l s o i t responsable de la ma-j o r i t é des émissions lumineuses. - La composition des électrodes a une influence sur le spec-t r e de lumière émise. Les couleurs observées de foudre en boule typique correspondent à des t e i n t e s intermédiaires entre j aune c l a i r e t orange e t semblent donc indiquer l a présence simultanée d'azote d'oxygène e t de N 3, ce qui semble naturel pour des 2 décharges se produisant dans 1' a i r . Les r é s u l t a t s ohtenus par le groupe de BROOKHAVEN sont extrêmement intéressants i ils ont permis d ' é t o f f e r l e s explications l e s ?lus plausibles du phénomène de foudre en boule.
  27. 27. 4- THEORIEÇ ET TENTATIVES D'EXPLICATIONS Les théories leiplus diverses ont ét6 proposees dans le but d'expliquer la foudre en boule, m a i s en d é f i n i t i v e le m6canisme de formation n ' e s t pas encore é t a b l i . Ces théories se classent en deux catégories principales, c e l l e s pour les-quelles l a source d'énergie se trouve 3 l ' i n t é r i e u r de l a boule e t c e l l e s où l a source d'énergie se trouve a l ' e x t é r i e u r , MODELE A SOURCE D 'ENERJIE INTERNE Dans ce grouFe, e x i s t e n t sept grandes classes : 1/. La boule e s t constituée de gaz ou d ' a i r se trouvant dans un é t a t énergétique inhabituel. Les gaz ont une évo-lution l e n t e , l'émission lumineuse e s t due à l a recombi-naison des ions. L'énergie e s t fournie par des réactions chimiques entre gaz, poussières, . . . 2/. La boule e s t constituée d ' a i r chaud à pression atmosphé-rique. UMAN et LOWHE ont montré qu'une sphère d ' a i r chaud de 20 cm de diamètre s e r e f r o i d i s s a i t de 1 000 K/s tout en conservant un rayon constant, l a température i n i t i a l e étant de l ' o r d r e de 3 000 K. Le défaut du modèle e s t de ne pouvoir expliquer une lumi-nosité presque constante pendant le refroidissement e t de ne pas ê t r e compatible avec l'absence de mouvement gSnéral ascendant. 3/. La boule e s t constituée d'un plasma de t r è s haute densité élect ronique (10e~/,3~) q u i possede l e s p r o p r i é t é s quan-tiques de 1 ' é t a t solide (théorie proposée par NEUGEBAUER en 1937).
  28. 28. 4/, De nombreuses configurations de courants en boucles fermées ont é t é proposées. La s t a b i l i t é de la boucle doit etre assurée par le champ magnétique q u ' e l l e crée. Cepen-dant Zi 1 'encontre de ces théories, FINKELSTEIN et RUBEINSTEIN ont montré en 1964 qu'un plasma autoconfiné par un champ magnétique ne pouvait ê t r e s t a b l e sous les conditions atmosphériques habituelles . 5/. La boule e s t due à une s o r t e de tourbillon (produisant le confinement de gaz excité, comparable aux ronds de fumée) . 6/. La boule e s t constituée d'un champ a très haute fréquence confiné dans une enveloppe sphérique de plasma 1 (DAWSON et JONES 1968) . 7,'. Quelques modèles font appel à des réactions nucléaires comme source d'énergie, ces théories sont suggérées par l e s t r è s grandes énergies quelquefois mises en jeu. 4 . 2 . MODELES A SOURCE D 'ENERGIE EXTERNE Il a été suggéré t r o i s types de source d'énergie 1 externes d i s t i n c t e s : a) Un champ électromagnétique à très haute fréquence ; pro-posé par CERRILLO (1943) e t KAPITZA (1955) ; c e t t e idée u t i l i s e 1' énergie radiofréquence focalisée depuis l e nuage. Il e s t à noter que le champ élevé nécessaire au confinement n'a été que tres difficilement observé en période orageuse. b) Un courant d'entretien a l l a n t du nuage au sol. Ce processus e s t à rapprocher de celui de formation des éclaîrs en chapelet, mais il ne peut expliquer 1 'existence de boules à 1' i n t é r i e u r d'habitations ou à proximité de s t r u c t u r e s métalliques. ... /. ..
  29. 29. C) ARABADZHI (1957) a émis l'hypothèse d'une focalisation des rayons cosmiques dans le champ électrique au cours d'un orage de telle s o r t e q u ' i l s puissent créer une décharge localisée. 4 . 3 . THEORIES POSSEDANT LA MEIUEUIiE CREDIBILITE 4.3.1. Radiofréquences La théorie de KAPITZA sur l a génération d'énergie par radiofréquence en 1955 a é t é étayée depuis par des ré-s u l t a t s t r è s int6ressants : - l e s r é s u l t a t s expérinentaux de POWELL et FINKELSTEIN (chapitre 3.6.4.) en 1969 ; - l e s recherches de KOSAREV et SEREZHKIN (1974) pour mettre en évidence Les champs radiofréquences l o r s des orages. A lors que les r é s u l t a t s indiquent habituellement un b r u i t continu a haute fréquence, les chercheurs russes ont pu m e t t r e en évidence des émissions de 100 MHz 3 200 .WZ d'une durbe maximale de 0,17 S. La source d'énergie e s t alors une réaction chimique se produisant à l ' i n t é r i e u r de l a sphère. Cette théorie a par-ticulièrement été développée par SMIRNOV u t i l i s a n t les résul-t a t s obtenus par DXITRIEV ( chapitre 1 Les processus typiques envisagés sont :
  30. 30. De nombreuses autres reactions entre oxygène et azote ont été étudiées. La température de l ' a i r excité est alors d'environ 400 K, la concentration en ozone est de 3 %. La per-sistance de l a boule est d ' a u t a n t plus grande que sa temp9- rature e s t p l u s f a i b l e . SMIRNOV conclut en indiquant l'extréme rareté d' une t e l l e concentration d'ozone dans 1' a i r ; l e phénomène envi-sagé d o i t être i n i t i a l i s é par une réaction produisant l a con-centration nécessaire en ozone e t il semble bien que 1'616- ment i n i t i a t e u r s o i t très i d f f é r e n t pour des foudres en boules différentes. 4 . 3 . 3 . Energie en provenance du nuage Suggérée par FINKELSTEIN et RUBINSTEIN en 1964 puis reprise par UMAN et HELSTROM en 1966, c e t t e idée permet d'ex-pliquer certains phénomènes de foudre en boule, en particu-lier c e l l e s pour lesquelles 1 'énergie m i s e en jeu est impor-tante. Cette idée suppose que l a boule e s t une région de grande conductibili t é électrique. De nombreux précurseurs d ' é c l a i r s aboutissent à la boule ; l a construction du cousant a son passage dans 1 ' étranglement a~porte 1 'énergie nécessaire à l a cohésion de l a boule. Cet aspect de l a foudre en boule est à rapprocher du phhomène d ' é c l a i r en chapelet, très souvent observé à l ' a i d e de caméra rapide (150 images/s) , au cours des é c l a i r s naturels e t qui est le fonctionnement du chenal d'écoulement du courant en une multitude de grappes e t grains lumineux d i s t i n c t s .
  31. 31. 5. EFFETS DESTRUCTIFS La foudre en boule est un phénomène extrêmement diver-s i f i é ; si la majorité des observations s 'effectuent sans danger, e t sans q u ' i l y a i t d ' e f f e t s d e s t r u c t i f s , il en est où des quantités d'énergie extremement importantes sont mises en jeu. La compréhension des phénomènes impliqués dans ces der-niers cas présente un i n t é r ê t militaire évident. Il est rapporté un événement où la boule lumineuse a traversé t o u t e l a cabine d'un avion à réaction sans dommage.. ., ce cas est exceptionnel e t tous les s p é c i a l i s t e s d'aéronau-tique connaissent bien l e s dégats causés aux avions par l e s décharges électriques. Les endroits l e s plus sensibles se trouvent ê t r e l e s pointes du fuselage (nez, a i l e s , antennes) e La production d'une foudre en boule au voisinage du nez d'un avion ou d'une fusée pourrait provoquer sa destruction. Le plasma de moyenne température qui entoure Une ogive Zi sa péné-t r a t i o n dans 1 'atmosphère pourrait permettre de générer plus facilement l a boule lumineuse. Une énergie de l ' o r d r e de 10 à 100 kJ d é t r u i t facilement un radome. Le problème de l a destruction réside dans l a produc-tion de l a boule ; c'est un peu dans ce sens que les m i l i t a i r e s de l'Est e t de l'ouest t r a v a i l l e n t à l a mise au point de l ' a r-me l a s e r , tout e n étudiant les processus de formations de plasma, e t l e s interactions entre le l a s e r et ce plasma. Les études menées de part e t d'autre sur l a foudre en boule devraient permettre de dé terminer les meilleures conditions de fonctionnement, de production, et de génération des meilleurs e f f e t s d e s t r u c t i f s . . ../. ..
  32. 32. Ces études impliqueront aussi le déve loppement des moyens de protection contre les décharges électriques e t les armes futures. L'accroissement de complexité des dispo-sitif s embarqués e s t tel qu 'un "durcissement électronique " est indispensable.
  33. 33. 6. CONCLUSION Les travaux soviétiques et américains sont impor-t a n t s dans ce domaine. Il est a noter que les publications soviétiques concernent essentiellement des travaux théoriques ; les applications pratiques font p a r t i e de p r o j e t s ' c l a s s i f i e s . Au contraire, l e s chercheurs américains indiquent des résul-t a t s expérimentaux. Ainsi les travaux de POWELL et FINKELSTEIN ( BROOKHAVEN LABORATORY) , BARRY (AIR FORCE AVIONICS LABORATORY) , JL TUCK (LOS ALAMOS LABORATORY) , RD HILL (OFFICE OF NAVAL RESEARCH) sont- ils particulièrement intéressants ? La d i f f i c u l t é d ' i n t e r p r é t a t i o n du phénomène a conduit au développement d'hypothèses extrêmement variées. Nombre d'entre e l l e s relevent sans doute de l ' u t o p i e , m a i s il est probable qu'une seule explication ne peut j u s t i f i e r toutes les observations. Les u t i l i s a t e u r s m i l i t a i r e s pourraient s ' i n t é-r e s s e r t o u t à l a f o i s aux phénomènes mettant en jeu une grande quanti t é d ' énergie ( destruction d ' avions, de fusées) e t aux phénomènes où seul un e f f e t d'écran e s t recherché (brouillage des émissions radio, aveuglement, l e u r r e ) .
  34. 34. - BIBLIOGRAPHIE - - P. HUBERT Tentative pour observer l a foudre en boule dans le voisinage d ' é c l a i r s déclenchés a r t i f i c i e l l e m e n t CEN/DPLEP - Rapport DPLEP 76/349 - 5 mai 7 6 . - J.R. POWELL - D. FINKELSTEIN Structure of b a l l lightning Advances i n geophysics - 1 - 1969 - p. 141 - M.A. UMAN Lithtning - Mac Graw H i l l 1969 - p. 243 - R.D. HILL Lightning Research - Naval research revue - 10 - 73 Pa 1 - W.I. ARABADJI On the problem of b a l l lightning Journal of geophysical research - 20- 12- 76 p. 6455 - J . W . KING Solar radiation changes and the weather Nature VoL245 - 2 6 . 1 0 . 7 3 p. 443 - G.A. ASKAR'YAN e t A l Optical'-breakdown " f i r e b a l l" i n the focus of a l a s e r be am JETP Letters 5 (1/3/67) - M.T. DMITRIEV e t A l Optical emission from b a l l lightning Soviet physics - Technical physics - Vol. 17 no 10 4- 73
  35. 35. - V.U. BALYBERDIN Verification of the case of the origine of gall lightning Journal of applied rnechanics and technical physics; Vol. 16 no 6, p. 946 - M.T. DMITRIEV Nature de la foudre globulaire PRIRODA - URÇS - no 6 - 6-67 Traduction T/R 2 176-867 - B.M. SMIRNOV Bal1 Lightning mode1 Soviet physics technical physics - Vol. 22 - no 4 4-77, p. 488 A.V. ZAITSEV New theory of ball lightning Soviet physics - Technical physics - V o l . 17 - no 1 7-72 P. BROVETTO et Al. On the nature of ball lightning Journal of atmospheric and terrestrial physics VOL. 38 - p. 921 - 1976
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