Éclair et tonnerre : comprendre leur fonctionnement

Ce que vous voyez

Tout le monde a déjà compté les secondes entre un éclair et le tonnerre qui le suit. Cette exposition vous place dans une petite ville par une nuit pluvieuse, avec un orage à la distance de votre choix, et vous permet de compter réellement. Dans la première scène, tout est à sa taille réelle : les maisons, la flèche de l’église, les personnes qui rejoignent leur voiture, le nuage orageux et le canal de l’éclair. La base du nuage se trouve à environ 1,5 km de hauteur, son sommet à environ 12 km, et un canal reliant le nuage au sol mesure plusieurs kilomètres. Les personnes à côté mesurent 1,7 m.

Les six autres scènes décomposent l’éclair. L’une coupe le nuage orageux en deux pour montrer la glace qui le charge. Une autre ralentit un éclair jusqu’à un million de fois, pour que le traceur par bonds peu lumineux, les décharges ascendantes et le lumineux arc en retour se produisent l’un après l’autre. Une scène montre les types d’éclairs depuis le sol jusqu’à 90 km de hauteur, notamment les farfadets rouges et les jets bleus, dont les premiers enregistrements datent seulement de 1989 et 1994. Une autre place un paratonnerre sur une maison. Une autre suit le son du tonnerre sur une carte, morceau par morceau. La dernière montre la Terre entière avec un point pour chaque éclair, soit environ 44 par seconde.

Sous la scène se trouvent les règles de sécurité de la Korea Meteorological Administration (KMA) et du National Weather Service (NWS) américain, un chronomètre pour compter vous-même le délai d’un éclair, 16 défis, un livre des éclairs de 47 entrées, des découvertes cachées, des cartes rectifiant les erreurs courantes et un journal des impacts que vous avez observés.

Les dix premières secondes

L’exposition s’ouvre de nuit, avec l’orage à 3,4 km. Environ une seconde après l’apparition de la scène, un canal fend le ciel, déploie ses ramifications et illumine le nuage de l’intérieur. Un compteur au milieu de la scène démarre au moment de l’éclair. La lumière parcourt les 3,4 km en environ 11 microsecondes : pour tout usage pratique, l’éclair que vous voyez correspond donc à l’instant où la décharge s’est produite. Le tonnerre met 9,9 secondes. À son arrivée, le compteur convertit la durée en distance : 9,9 secondes à 343 m par seconde donnent 3,4 km.

Faites glisser pour regarder autour de vous. Vous êtes à hauteur des yeux au bord d’un champ, avec des maisons derrière vous et sur votre gauche, une flèche d’église munie d’un paratonnerre plus loin et une ligne électrique le long de la route. L’orage se trouve au-dessus du champ. D’autres impacts se succèdent automatiquement ; la commande Activité orageuse règle leur nombre par minute et le bouton Impact de la scène en ajoute un quand vous le souhaitez.

Compter les secondes

La règle approximative est que le son parcourt environ un kilomètre en trois secondes, ou un mile en cinq. Le National Severe Storms Laboratory (NSSL) donne les deux : le son parcourt environ un tiers de kilomètre ou un cinquième de mile par seconde ; diviser les secondes par 3 donne donc les kilomètres et les diviser par 5 donne les miles. Le NWS l’écrit ainsi : « 5 secondes = 1 mile, 15 secondes = 3 miles, 0 seconde = très près ».

Cette règle fonctionne parce que la lumière est environ un million de fois plus rapide que le son. L’éclair vous parvient presque immédiatement ; le tonnerre est la seule partie du phénomène dont le trajet prend du temps. Pour chaque impact, l’exposition affiche les deux valeurs : le délai exact calculé à partir de la distance et de la température, et la distance approximative que donnerait ce délai. À 20 °C, elles diffèrent d’environ 3 %, car le son parcourt 343 m par seconde, et non 333.

Vous pouvez essayer vous-même sous la scène. Appuyez sur le premier bouton lorsque vous voyez un éclair sur la scène, puis sur le second lorsque vous entendez le tonnerre, ou voyez le compteur le signaler. L’exposition convertit votre durée en distance et la compare à la distance réelle. Une erreur inférieure ou égale à 15 % résout le défi. Ces deux boutons fonctionnent aussi pendant un véritable orage, à condition d’observer depuis l’intérieur.

Pourquoi la réponse dépend de la température

La vitesse du son dans l’air dépend de la température, et non de la pression. L’exposition utilise la formule du gaz parfait : 331,3 m/s à 0 °C, multipliés par la racine carrée de la température absolue divisée par 273,15 K. Cela donne 343,2 m/s à 20 °C, environ 325 m/s à −10 °C et environ 352 m/s à 35 °C, soit une augmentation d’environ 0,6 m/s par degré.

Un même décompte correspond donc à des distances légèrement différentes par une nuit froide ou un après-midi chaud. Trois secondes à −10 °C correspondent à 976 m ; à 35 °C, à 1056 m, soit environ 80 m de plus. La commande Température de l’air change la vitesse du son dans toute l’exposition, y compris sur la carte du tonnerre et à l’intérieur du nuage, où elle déplace l’isotherme zéro.

La température d’un canal d’éclair

L’éclair lui-même est un déplacement de charges et n’a pas de température. Ce qui chauffe, c’est la matière traversée par le courant. L’air est un très mauvais conducteur : il chauffe donc violemment. Le NWS indique 50 000 °F pour l’air du canal, qu’il décrit comme environ cinq fois plus chaud que la surface du Soleil. La NASA situe la surface visible du Soleil, la photosphère, à environ 10 000 °F (5500 °C). En Celsius, 50 000 °F correspondent à environ 27 760 °C.

Le NSSL donne une plage de 18 000 à 60 000 °F et précise que l’échauffement se produit « en quelques millionièmes de seconde seulement ». Le rapport annuel sur la foudre de la KMA indique 20 000 à 30 000 °C. Ces valeurs diffèrent parce que le canal n’a pas une température unique : il est le plus chaud au maximum du courant, puis refroidit rapidement, et les différentes méthodes saisissent des instants différents.

Lorsque la foudre frappe un arbre, la chaleur transforme son eau en vapeur, qui peut arracher une bande d’écorce ou fendre le tronc. Lorsqu’elle frappe du sable ou de la terre, elle peut les fondre en un tube vitreux le long du trajet du courant. Ces tubes s’appellent des fulgurites ; l’une apparaît dans la scène du paratonnerre lorsqu’un impact atteint un terrain découvert.

Comment un nuage orageux se charge

Un orage se développe là où l’air chaud et humide s’élève assez vigoureusement pour porter un nuage bien au-dessus de l’isotherme zéro. Le NWS décrit l’intérieur d’un orage mûr : de petits cristaux de glace dans sa partie supérieure, un mélange de cristaux de glace et de petits grêlons au milieu, puis de la pluie et des grêlons en train de fondre plus bas.

Les charges apparaissent au milieu du nuage, là où se rencontrent trois éléments : la neige roulée (de petits grains de glace tendre d’un quart de millimètre à quelques millimètres, qui grossissent en capturant des gouttelettes surfondues), de petits cristaux de glace et de l’eau surfondue. Lorsque la neige roulée et les cristaux de glace se heurtent puis se séparent, une petite quantité de charge passe de l’un à l’autre. Le NSSL appelle cela le processus non inductif, car il n’exige pas de champ électrique initial, et précise que « les mécanismes physiques exacts ne sont pas entièrement compris ».

Le sens du transfert de charge dépend de la température. Des travaux de laboratoire, à commencer par ceux de Takahashi en 1978, ont montré que la neige roulée prend une charge positive à des températures légèrement inférieures au point de congélation et une charge négative dans les zones plus froides. Le NSSL le dit aussi en termes simples. La température d’inversion du signe dépend de la quantité d’eau liquide dans le nuage ; l’exposition utilise −10 °C et la marque par un anneau jaune.

Où les charges s’accumulent

Une fois les particules chargées, le courant ascendant les trie. Les légers cristaux de glace montent plus vite que la neige roulée lourde : les charges positives s’accumulent donc en altitude et dans l’enclume, tandis que les charges négatives restent sur la neige roulée au milieu du nuage. Une région positive plus petite se forme souvent dessous, là où la neige roulée se charge positivement dans un air légèrement plus chaud. Le sol sous l’orage se charge positivement en réponse aux charges négatives qui le surplombent.

La scène de l’intérieur du nuage montre cette séparation des charges. Les hauteurs sont réelles ; les particules sont dessinées des milliers de fois trop grandes et l’horloge est accélérée. Les anneaux marquent 0, −10, −20 et −40 °C. Ils suivent un gradient thermique standard de 6,5 °C par kilomètre à partir de la température au sol : un après-midi plus chaud les fait donc tous monter. Chaque étincelle marque une collision : bleue lorsque la neige roulée a pris une charge négative, rouge lorsqu’elle a pris une charge positive. Quand la charge négative principale est pleine, le nuage se décharge, généralement en son sein, parfois vers le sol. La commande Courant ascendant règle la force de montée de l’air et, par conséquent, la fréquence des collisions.

Les orages ne produisent pas seulement des éclairs. Le NSSL explique qu’ils agissent comme des batteries dans le circuit électrique global, maintenant la surface terrestre négative et l’air au-dessus positif. Par beau temps, le champ électrique près du sol est d’environ 100 V/m. Sans orages, précise le NSSL, cet équilibre disparaîtrait en environ cinq minutes.

Le traceur par bonds

Un éclair nuage-sol ne commence pas au sol. La plupart des éclairs, sinon tous, commencent dans le nuage. Dans le cas courant, un canal de charges négatives appelé traceur par bonds se développe vers le bas. Le NSSL le décrit descendant en zigzag par segments d’environ 50 yards, selon une structure ramifiée, invisible à l’œil, et atteignant le sol « en moins de temps qu’il n’en faut pour cligner des yeux ».

Chaque bond se forme là où l’air en avant commence déjà à s’ioniser sous la forme de nombreuses décharges ténues ; celle qui transporte le plus de courant devient le bond suivant. Une synthèse de Rakov (2013) donne une vitesse moyenne de descente d’environ 200 km/s. Un canal de 6 km de long prend environ 30 millièmes de seconde.

La scène au ralenti fait croître le traceur de la même façon. Depuis le dessous de la base du nuage, chaque bond parcourt environ 46 m dans une direction légèrement nouvelle, attiré vers le sol tout en divaguant ; des ramifications latérales se séparent puis s’éteignent. L’instant où le traceur atteint chaque point est la longueur du trajet divisée par 200 km/s. La scène montre le traceur jusqu’à 500 fois plus lentement, quelle que soit l’indication de la commande Ralenti : un traceur qui descend en quelques dizaines de millisecondes dans la réalité met ainsi environ 10 secondes ; la commande règle la lenteur de l’arc en retour.

Les décharges ascendantes et l’instant du contact

À mesure que le traceur approche du sol, le champ électrique au sommet des objets élevés devient assez fort pour qu’ils émettent des étincelles vers le haut. Le NSSL indique que cela commence lorsque le traceur se trouve à moins d’environ 100 yards du sol, et que les arbres, les buissons et les bâtiments le font tous. Les objets plus élevés ont davantage de chances de produire le canal ascendant, ce qui explique qu’ils soient plus souvent frappés.

En général, une seule décharge ascendante rejoint le traceur. Le NWS les compte parmi les cinq façons dont la foudre blesse les personnes : lorsque le canal principal se décharge, toutes les autres décharges ascendantes des environs se déchargent aussi ; une personne située sur le trajet de l’une d’elles peut donc être blessée sans que la foudre se soit raccordée à travers elle. Dans la scène au ralenti, le paratonnerre, l’arbre, le poteau et même la personne émettent des décharges ascendantes ; à ×100 000, vous pouvez observer laquelle se raccorde.

L’arc en retour

Dès que le traceur se raccorde, un puissant courant commence à circuler. C’est l’arc en retour : une onde de courant et de lumière qui remonte du sol le long du canal. C’est la partie lumineuse que vous voyez. Le NSSL donne une vitesse d’environ 60 000 miles par seconde. Des mesures par caméra à balayage d’Idone et Orville (1982) ont trouvé une moyenne de 1,1 × 10⁸ m/s près du sol, environ un tiers de la vitesse de la lumière, avec des premiers arcs légèrement plus lents, à 9,6 × 10⁷ m/s.

À cette vitesse, l’arc en retour monte d’environ 1,1 km en 10 microsecondes, soit un cent-millième de seconde. Un canal de 6 km s’illumine de bas en haut en environ 55 microsecondes. C’est pourquoi la commande Ralenti atteint ×1 000 000 : à ce réglage, une microseconde réelle dure une seconde à l’écran, et vous pouvez regarder la lumière remonter le canal.

Quelle intensité circule ? Le NWS donne environ 300 millions de volts et 30 000 ampères pour un éclair typique, contre 120 volts et 15 ampères dans un circuit domestique. Le NSSL indique 100 millions à 1 milliard de volts. La commande Courant de crête règle l’intensité utilisée dans la scène du paratonnerre, de 5 à 300 kA ; 30 kA est la médiane couramment citée pour les premiers arcs.

Pourquoi l’éclair scintille

Un éclair se termine rarement après un seul arc. Après le premier arc en retour, le canal refroidit, mais il reste plus facile à ioniser que de l’air intact. Quelques dizaines de millisecondes plus tard, un traceur continu descend le même trajet, sans bonds, puis un autre arc en retour le suit. Le NSSL précise qu’un éclair négatif peut comporter un seul arc en retour ou jusqu’à 20 ; nous percevons cela comme un scintillement.

La scène au ralenti présente les arcs dans l’ordre : arc, lueur, pause entre les arcs, traceur continu, arc suivant. La commande Arcs en retour en règle le nombre. De nombreux éclairs touchent aussi le sol en plusieurs endroits. Le NWS cite des essais aux États-Unis et au Japon qui ont trouvé plusieurs points d’attachement au sol pour au moins la moitié des éclairs négatifs et plus de 70 % des positifs.

Les éclairs positifs

Plus rarement, un éclair transfère des charges positives vers le sol. Ces éclairs positifs proviennent généralement de la partie supérieure de l’orage ou de l’enclume, souvent loin de la pluie. Le NSSL précise qu’ils comportent habituellement un seul arc en retour, qu’ils transportent plus souvent un courant prolongé et qu’on peut les considérer comme plus dangereux parce que leur courant de crête est souvent plus fort et leur courant persistant dure plus longtemps, ce qui favoriserait aussi les départs d’incendie.

Les éclairs qui n’atteignent jamais le sol

La plupart des éclairs ne touchent jamais le sol. Ceux qui restent dans un même nuage s’appellent des éclairs intranuageux (IC) ; ceux qui passent entre des nuages sont internuages ; ceux dont les canaux se prolongent dans l’air dégagé sans rien frapper sont des éclairs nuage-air. Le NSSL estime qu’il y a environ 5 à 10 fois plus d’éclairs dans les nuages que d’éclairs nuage-sol, et l’un de ses clichés montre un éclair araignée, de longs canaux rampant sous l’enclume. Lorsqu’un éclair reste caché à l’intérieur du nuage, celui-ci semble s’illuminer tout entier à la fois ; on parle parfois d’éclair en nappe.

La scène des types d’éclairs comporte un bouton pour chacun : éclairs nuage-sol négatifs et positifs, intranuageux, internuages, nuage-air, éclair en ciel bleu, éclair ascendant depuis une haute tour et quatre types au-dessus du nuage.

Les éclairs en ciel bleu

Un éclair en ciel bleu commence à l’intérieur du nuage, sort par le côté de l’orage, parcourt une longue distance latéralement dans l’air dégagé, puis tourne vers le bas. Il peut frapper le sol là où le ciel paraît bleu au-dessus. Le NWS indique que ces éclairs peuvent frapper à 10 à 15 miles de l’orage et que la foudre en général frappe souvent à plus de trois miles de son centre, hors de la pluie. Le NSSL décrit un cycliste frappé sous un ciel sans nuages par un éclair provenant probablement d’un orage à environ 10 miles, masqué par des montagnes.

C’est la raison de la règle la plus simple du NWS. Si vous entendez le tonnerre, vous êtes probablement à portée de la foudre.

Au-dessus des nuages

Pendant l’essentiel de l’histoire, personne ne savait que les orages produisaient aussi de la lumière bien au-dessus de leurs sommets. Dans la nuit du 22 au 23 septembre 1989, des chercheurs testant une caméra à faible luminosité ont capté une décharge ascendante au-dessus d’un orage distant de 250 km ; elle s’élevait des sommets nuageux à 14 km jusque dans l’air dégagé au-dessus (Franz, Nemzek et Winckler, 1990). Des campagnes aériennes ont ensuite fourni en 1994 les premières images en couleur et mesuré les hauteurs.

Les farfadets rouges sont des éclairs rouges qui durent moins de 16 millisecondes, dont le corps principal se trouve généralement entre 50 et 90 km de hauteur et mesure 5 à 30 km de large, avec de faibles filaments bleus pendant en dessous (Sentman et ses collègues, 1995). Ils apparaissent habituellement au-dessus de puissants éclairs nuage-sol positifs. Des astronautes les ont photographiés depuis la Station spatiale internationale.

Les jets bleus sont d’étroits cônes de lumière bleue qui s’élèvent du sommet du nuage à environ 100 km/s et se terminent à 40 à 50 km (Wescott et ses collègues, 1995). Les jets géants vont plus loin, du sommet du nuage orageux à la basse ionosphère ; ils ont été signalés par Pasko et ses collègues en 2002 et par Su et ses collègues en 2003.

Les elfes sont de faibles anneaux qui brillent entre 75 et 105 km, sur environ 100 à 300 km de large, en moins d’une milliseconde (Fukunishi et ses collègues, 1996). On pense qu’ils correspondent à la basse ionosphère chauffée par l’impulsion radio d’un puissant éclair situé dessous. Comme ils se propagent très vite, l’anneau de l’exposition grandit pendant plus d’une seconde : les phénomènes de haute atmosphère sont présentés environ 100 fois plus lentement qu’en réalité.

Rayons gamma et antimatière

En 1994, des détecteurs de l’observatoire Compton Gamma Ray Observatory, construit pour étudier l’Univers lointain, ont enregistré de brefs et intenses sursauts de rayons gamma provenant de la Terre (Fishman et ses collègues, 1994). Ces sursauts gamma terrestres viennent des orages ; des électrons accélérés à des millions d’électronvolts émettent des rayons gamma lorsqu’ils ralentissent. En 2011, le satellite Fermi a détecté des faisceaux d’électrons et de positrons, les partenaires d’antimatière des électrons, envoyés vers le haut par des orages (Briggs et ses collègues, 2011). Un petit satellite doré dans la scène des types ouvre une carte à leur sujet.

Où frappe la foudre

Le NWS énumère trois facteurs qui décident du point d’impact : la hauteur, une forme pointue et l’isolement. Le métal ne change rien à l’endroit où elle frappe. En revanche, il conduit le courant : c’est pourquoi le NWS recommande de s’éloigner des clôtures métalliques, des rambardes et des gradins.

La foudre frappe aussi deux fois au même endroit. L’Empire State Building est touché en moyenne 23 fois par an. Le NSSL suggère deux raisons. Avec autant d’éclairs, deux impacts se produisent parfois à proximité par hasard ; et une caractéristique du site, sa hauteur ou le sol sous lui, peut en faire une meilleure source de décharges ascendantes. Dans la première scène, une haute tour dans la ville à l’horizon fait partie des découvertes cachées, et le bouton Haute tour y envoie un éclair.

Distance d’amorçage et sphère fictive

Le dernier saut entre le traceur et le sol ne se décide que lorsque le traceur est proche. Les ingénieurs le décrivent par la distance d’amorçage : la distance à la pointe du traceur à laquelle un objet peut lancer la décharge ascendante qui se raccordera. Dessinez autour de la pointe une sphère de ce rayon ; le premier objet à l’intérieur est celui qui sera frappé.

La formule traditionnelle utilisée en protection contre la foudre est S = 10 I^0,65, avec S en mètres et I, le courant de crête, en kiloampères. Cooray, Rakov et Theethayi (2007) ont calculé la charge du traceur à partir de courants mesurés et proposé plutôt S = 1,9 I^0,90. Pour le courant médian des premiers arcs de 30 kA, l’ancienne formule donne 91 m et la nouvelle 41 m. La scène du paratonnerre utilise la plus récente et affiche les deux résultats.

Cette même idée fournit la méthode de la sphère fictive pour placer les paratonnerres : imaginez une sphère dont le rayon est la distance d’amorçage roulant sur un bâtiment. Tout ce qu’elle touche peut être frappé ; tout ce qu’elle ne peut atteindre est protégé. Avec la pointe du paratonnerre à 11,7 m et une sphère de 41 m, la sphère appuyée sur le paratonnerre et le sol laisse intacte une zone de sol d’environ 28 m de rayon autour du paratonnerre. La formule est r = √(2Sh − h²), où h est la hauteur du paratonnerre.

Le rôle d’un paratonnerre

Benjamin Franklin a proposé le paratonnerre au début des années 1750, et le rapport de la KMA sur la foudre date la découverte de sa nature électrique de son hypothèse et de l’expérience proposée en 1752 (Krider, 2006, en raconte l’histoire). Un paratonnerre n’attire pas la foudre de loin. Il offre au traceur un point de raccordement préférable au toit, et un conducteur fournit au courant un trajet vers un piquet de terre, afin qu’il ne traverse pas le bâtiment.

Dans la scène du paratonnerre, le traceur descend environ 900 fois plus lentement, avec sa sphère de distance d’amorçage autour de la pointe. Lorsque le paratonnerre est en place, il est presque toujours le premier objet dans la sphère ; le conducteur de descente brille et des anneaux de courant se propagent depuis le piquet de terre. Retirez le paratonnerre avec le bouton Paratonnerre : l’impact atteint à la place la cheminée, l’arbre, la voiture, la clôture ou le terrain découvert.

Comment la foudre blesse les personnes

Le NWS décrit cinq façons dont la foudre frappe les personnes. Un impact direct fait de la personne une partie du canal principal ; il est moins fréquent, mais le plus susceptible de tuer. Un éclair latéral saute d’un objet plus haut, généralement un arbre, vers quelqu’un situé à un ou deux pieds. Le courant de sol se répand depuis un impact à travers le terrain et cause le plus de morts et de blessures ; il tue aussi de nombreux animaux d’élevage, car le courant parcourt une longue distance entre leurs pattes avant et arrière. La conduction transporte le courant le long des fils, des canalisations et du métal jusqu’à quiconque les touche : c’est pourquoi le NWS recommande d’éviter les téléphones filaires et la plomberie à l’intérieur. Les décharges ascendantes décrites plus haut constituent la cinquième façon.

Aux États-Unis, la foudre a tué en moyenne 20 personnes par an pendant les dix années de 2016 à 2025, selon les chiffres provisoires du NWS. Le NSSL estime la probabilité d’être frappé à 1 sur 1,2 million pour une année donnée et à 1 sur 15 300 sur une vie de 80 ans. Les personnes foudroyées ne conservent aucune charge : vous pouvez les toucher sans danger, appeler les secours et commencer une réanimation cardiopulmonaire.

Le tonnerre : de l’onde de choc au grondement

Le tonnerre commence par une onde de choc. L’arc en retour chauffe le canal en quelques millionièmes de seconde, plus vite que l’air ne peut se dilater : sa pression intérieure bondit donc. L’air jaillit ensuite vers l’extérieur. Le NSSL indique que la perturbation est une onde de choc sur les quelque 10 premiers yards, puis une onde sonore ordinaire.

Le tonnerre roule parce qu’un canal est long. Toutes ses parties émettent leur son au même instant, mais elles sont à des distances différentes de vous. Vous entendez d’abord la partie la plus proche, puis des parties de plus en plus lointaines ; un canal qui court sur des kilomètres dans le nuage peut rester audible des dizaines de secondes. Le NWS ajoute qu’un claquement ou un clic sec indique que le canal est passé près, tandis qu’un grondement indique que l’éclair était à au moins plusieurs miles, et que la forte détonation parfois entendue provient du canal principal atteignant le sol.

La scène du tonnerre représente cela sur une carte. Le canal descend jusqu’au sol, puis parcourt plusieurs kilomètres latéralement à l’intérieur du nuage. Chaque morceau émet son propre front sonore ; les anneaux au sol montrent jusqu’où chacun est arrivé. Lorsqu’un anneau vous dépasse, vous entendez ce morceau, et la courbe au-dessus de la scène les additionne. Le premier tonnerre vient du morceau le plus proche et le dernier du plus lointain ; l’affichage donne les deux distances et la durée du grondement. Si vous êtes à 3 km de l’impact, le premier son arrive après environ 9 secondes et le dernier plus de 30 secondes après l’éclair.

Jusqu’où porte le tonnerre

Le tonnerre s’atténue avec la distance et perd ses aigus en chemin. Le NSSL note que l’air absorbe plus rapidement les hautes fréquences : le tonnerre proche ressemble donc à un déchirement, puis à un claquement, et le tonnerre lointain devient un grondement grave ; il peut être entendu jusqu’à 25 miles. Le NWS indique qu’il est généralement audible jusqu’à environ 10 miles sans bruit de fond, et que la circulation, le vent et la pluie réduisent cette portée. La KMA donne environ 20 km, parfois environ 40 km.

La commande Bruit de fond utilise un modèle simple, pas une mesure : le niveau du tonnerre baisse par étalement et par absorption dans l’air, et on l’entend là où il dépasse le bruit. À 30 dB, une nuit calme, le modèle place la limite à environ 18 km ; à 60 dB, près de la circulation, à environ 4 km. Placez l’orage au-delà : l’éclair ne s’accompagne d’aucun tonnerre. On appelle cela un éclair de chaleur, un nom qui suggère un type particulier visible par les nuits chaudes. Le NSSL précise qu’il s’agit d’un éclair trop lointain pour que son tonnerre soit entendu.

44 éclairs par seconde

L’ancienne réponse des manuels à la question « combien y a-t-il d’éclairs ? » était 100 éclairs par seconde, estimation faite en 1925 à partir des relevés de jours d’orage. Les satellites l’ont changée. L’Optical Transient Detector a observé la planète entière pendant cinq ans et compté en moyenne 44 ± 5 éclairs par seconde, éclairs dans les nuages et au sol confondus (Christian et ses collègues, 2003). Cela représente environ 1,4 milliard par an. Les mêmes données montrent que les éclairs se produisent surtout au-dessus des terres, avec un rapport moyen terre-océan d’environ 10 pour 1.

La scène terrestre montre un point par éclair, 44 par seconde en moyenne, placé au hasard mais pondéré par une carte. Cette carte est un modèle construit à partir de la latitude, des terres et des mers et des dix foyers publiés ; c’est une estimation destinée à l’image, et non la grille satellitaire elle-même. Le compteur montre combien d’éclairs se sont produits sur Terre depuis l’ouverture de la scène.

Les foyers de foudre

À partir de 16 années d’observations du Lightning Imaging Sensor de la mission Tropical Rainfall Measuring Mission, Albrecht et ses collègues (2016) ont classé les endroits ayant le plus d’éclairs par kilomètre carré. Le premier n’est pas en Afrique, contrairement à ce que suggéraient des travaux antérieurs, mais au-dessus du lac Maracaibo au Venezuela : environ 233 éclairs par kilomètre carré et par an. Des orages se forment au-dessus du lac chaud 297 nuits par an, avec un maximum en septembre, lorsque se rencontrent les brises de montagne, de lac et de mer. Les éclairs sont si réguliers que les marins les utilisaient autrefois comme phare.

Kabare, en République démocratique du Congo, arrive en deuxième position avec 205. L’Afrique compte 283 des 500 premiers sites et, souligne la NASA, six des dix premiers. Aux États-Unis, le NSSL indique que la plus forte fréquence d’éclairs nuage-sol se trouve en Floride, entre Tampa et Orlando, où l’air humide et les brises marines se rencontrent de nombreux jours de l’année.

La foudre en Corée

Le réseau de 21 capteurs de la KMA enregistre les impacts au sol en Corée du Sud avec une précision de localisation médiane inférieure ou égale à 250 m. Son rapport de 2025 a compté 106 750 impacts au sol sur les terres cette année-là. La moyenne décennale, de 2016 à 2025, est de 105 385. L’année précédente avait été exceptionnellement active : 145 784 impacts en 2024, dont 27 431 en une seule journée, le 5 août, soit environ 19 % du total annuel.

La plupart des impacts coréens se produisent en été. Les moyennes mensuelles sur dix ans sont les plus élevées en juillet (37 073) et août (31 767), et les plus faibles en janvier (42) et février (253). Le laboratoire sous la scène utilise ces moyennes : choisissez un mois, il vous indique le nombre moyen d’impacts au sol sur les terres coréennes pendant ce mois.

Les records vus depuis l’espace

Un imageur géostationnaire de la foudre observe constamment la même moitié de la planète, ce qui a permis de mesurer des éclairs uniques longs de centaines de kilomètres, appelés mégaéclairs. En 2025, l’Organisation météorologique mondiale a certifié un record de distance : un seul éclair, le 22 octobre 2017, a parcouru 829 km de l’est du Texas jusqu’à proximité de Kansas City (Peterson et ses collègues, 2025). Il a été découvert en réexaminant les données de GOES-16 et a battu le précédent record, 768 km le 29 avril 2020. Le record de durée est un seul éclair au-dessus de l’Uruguay et de l’Argentine, le 18 juin 2020, qui s’est maintenu pendant 17,102 secondes (Peterson et ses collègues, 2022).

Ces records changent la manière de décrire la sécurité face à la foudre. Un éclair peut parcourir des centaines de kilomètres dans les nuages et envoyer des arcs au sol loin de l’endroit où l’orage semble se trouver.

La foudre ailleurs

Les orages ne sont pas la seule source. Le NSSL cite les éruptions volcaniques, les feux de forêt très intenses produisant leurs propres nuages orageux, les fortes tempêtes de neige accompagnées de tonnerre, les grands ouragans et les explosions nucléaires en surface. L’éruption du volcan Hunga aux Tonga, le 15 janvier 2022, a envoyé un panache à au moins 58 km de hauteur et produit plus de 2600 éclairs par minute, disposés en anneaux se propageant vers l’extérieur avec les ondes de gravité du nuage en ombrelle (Van Eaton et ses collègues, 2023).

Jupiter a aussi des éclairs. La sonde Juno a enregistré leur émission radio à 600 MHz, surtout près des pôles (Brown et ses collègues, 2018), puis a observé de petits éclairs provenant d’orages peu profonds en altitude dans l’atmosphère (Becker et ses collègues, 2020). Une planète à bandes dans un coin de la scène terrestre ouvre une carte à leur sujet ; sa taille et sa distance n’y sont pas à l’échelle.

Ce que recommandent les organismes

Les deux organismes s’accordent sur presque tout. Aucun endroit extérieur n’est sûr lorsqu’un orage est proche. Les bâtiments solides et les véhicules métalliques à toit rigide, fenêtres fermées, sont sûrs ; les petits abris, tentes, abris contre la pluie et véhicules ouverts ne le sont pas. À l’intérieur, évitez les téléphones filaires, tout appareil branché à une prise et la plomberie, et restez loin des fenêtres et des portes. Attendez 30 minutes après le dernier tonnerre avant de ressortir, car le dernier éclair d’un orage peut se produire de nombreuses minutes après le précédent.

Ils divergent sur une règle. La KMA enseigne toujours la règle 30-30 : comptez de l’éclair au tonnerre et, si le délai est de 30 secondes ou moins, gagnez immédiatement un lieu sûr. Le NWS affirme désormais que si vous entendez le moindre tonnerre, vous êtes déjà en danger ; son slogan dit : « Quand le tonnerre gronde, rentrez à l’intérieur ! » Trente secondes correspondent à environ 10 km, et la foudre peut frapper à cette distance de l’orage.

Ils décrivent aussi différemment le cas où l’on est surpris dehors. Pour réduire le risque pendant le repli, la KMA décrit une position accroupie, les pieds joints, en gardant 5 à 10 m entre les personnes, et indique que s’allonger sur un sol humide est très dangereux. Le NWS affirme que s’accroupir ne protège pas davantage et que s’allonger augmente le danger du courant de sol ; il conseille de continuer à avancer vers un abri. Tous deux conviennent que la seule bonne réponse est de rentrer à temps.

À propos des éclairs de cette exposition

La foudre produit un flash lumineux, et des flashs vifs répétés rapidement peuvent déclencher des crises chez les personnes atteintes d’épilepsie photosensible. Une synthèse réalisée pour l’Epilepsy Foundation of America a trouvé que 15 à 25 flashs par seconde étaient les plus susceptibles de déclencher une crise, dans une plage de 1 à 65 (Fisher et ses collègues, 2005). Cette exposition soumet tout changement lumineux important de la scène à une seule limite : un nouveau pic ne peut commencer que 0,34 seconde après le précédent ; il n’y en a donc jamais plus de trois par seconde, et les arcs plus rapprochés rejoignent la lueur déjà présente au lieu de créer un nouveau flash. L’interrupteur Éclairs doux espace les pics d’une seconde et en réduit l’intensité. Il s’active automatiquement lorsque votre appareil demande une réduction des animations.

Cela signifie aussi que la scène ne montre pas à pleine vitesse le scintillement réel d’un éclair à arcs multiples, où les arcs sont espacés de quelques dizaines de millisecondes. La scène au ralenti montre plutôt ces arcs un par un.

Les différences entre le modèle et la réalité

La ville, l’orage et toutes les distances de la première scène sont à leur taille réelle, et les délais sonores sont calculés exactement à partir de la distance et de la température. Certains aspects sont simplifiés :

• Le canal se développe par bonds aléatoires attirés vers le sol. Sa forme est plausible, sans reproduire un éclair mesuré.
• Le nuage est composé de volumes vaporeux et éclairé de l’intérieur par l’éclair ; il ne simule pas les mouvements de l’air.
• Dans la scène du nuage, les particules sont des milliers de fois trop grandes et le temps est accéléré ; la charge suit une règle (signe selon la température, quantité selon les collisions), pas un modèle microphysique.
• Le tonnerre audible dans le bruit utilise un modèle simple de niveau ; le tonnerre réel dépend du canal, du sol, du vent et des couches de température.
• La carte terrestre est un modèle, comme décrit plus haut. Les 44 éclairs par seconde, le rapport terre-océan et les valeurs des foyers sont mesurés ; la forme de la lueur est une estimation.
• La foudre en boule apparaît parfois après des impacts proches. Il existe des preuves réelles de son existence, notamment un spectre enregistré (Cen, Yuan et Xue, 2014), mais son fonctionnement reste débattu.

La visite guidée et le laboratoire

La visite guidée comprend 19 étapes, du décompte du premier impact aux règles de sécurité. Chaque étape règle la scène pour vous : la scène choisie, la caméra, la distance et le type d’éclair. L’onglet Commandes propose les mêmes réglages en accès libre ; l’onglet Éléments répertorie 31 éléments répartis dans les sept scènes et déplace la vue vers chacun.

Sous la scène, le laboratoire conserve vos actions. Les défis sont sauvegardés dans votre navigateur et marqués d’une étoile lorsqu’ils sont résolus. Le livre des éclairs coche chaque type, lieu et record lorsque vous le voyez sur la scène. Les découvertes cachées sont des objets de la scène qui ouvrent une carte quand vous cliquez dessus ; certains n’apparaissent que de temps en temps, comme les éclairs silencieux au-delà des collines, un farfadet au-dessus de l’orage ou une boule lumineuse après un impact proche. Le tableau Impacts récents répertorie les dix derniers éclairs avec leur distance, leur nombre d’arcs et leur courant.