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Page sur les effets de la foudre

La foudre

Un détecteur de foudre est un appareil qui permet de capter l'onde électromagnétique générée par un éclair provenant d'un orage. Les détecteurs de foudre sont utilisés par les services météorologiques

Types et principes de détection

Il existe différents systèmes de détection de la foudre :
Moulin à champ
Un moulin à champ est un instrument de mesure d'un champ électrique statique. En météorologie, cet instrument permet, grâce à l'analyse du champ électrostatique au-dessus de lui, de signaler la présence d'un nuage électriquement chargé traduisant l'imminence de la foudre.
Le principe consiste à mesurer la tension alternative créée sur une électrode alternativement masquée et exposée au champ à mesurer Antennes directionnelles
Les détecteurs de foudre les plus sophistiqués comportent une antenne à plateau horizontal et deux antennes en boucle placées orthogonalement (à 90 degrés l'une de l'autre) dans la verticale. Un magnétogoniomètre détecte le champ électromagnétique émis par le coup de foudre, ce champ induisant un courant dans les boucles. Il y a un rapport entre la tension de ce signal et l'amplitude du champ magnétique qui équivaut au cosinus de l'angle entre l'antenne en boucle et la direction du coup de foudre.
Une comparaison entre les amplitudes des signaux dans les deux boucles permet de déterminer l'axe direction de l'éclair. Il reste cependant une incertitude sur la direction car un cosinus de X et de (X + 180) degrés donne le même résultat : on sait dans quel axe vient la foudre mais pas encore de quelle direction. Pour résoudre cela, l'appareil utilise la donnée de l'antenne à plateau horizontal.
Ce système peut distinguer entre les décharges nuage-sol et les autres formes de foudre ou de l'interférence par la signature électromagnétique. En effet, l'éclair atteignant le sol produit une impulsion électrique soudaine très caractéristique.
Pour découvrir la position de l'éclair, il faut ensuite trouver la distance à l'antenne réceptrice. Il existe deux façons :
Détail
Réseau d'antennes réceptrices : par triangulation des directions et des temps d'arrivée d'un signal à au moins trois antennes, on peut déduire la position. Trois antennes sont nécessaires puisque la foudre n'est pas un signal ponctuel mais provient de n'importe quel point entre le début et la fin de l'éclair. Deux antennes peuvent donc noter des directions d'origines différentes et une troisième antenne est nécessaire pour confirmer la provenance à l'intérieur d'un rayon de résolution donné.
Système à antenne unique et qui peut être mobile : on trouve ensuite la distance par l'analyse de la fréquence et de l'amplitude du signal.
Par satellite
La détection de la foudre par satellite artificiel s'effectue en balayant la zone de vision pour la détection des flashs lumineux produits par les orages. On utilise pour cela des satellites géostationnaires comme les GOES et METEOSAT qui se situent à environ 36000 km de la Terre. à cette distance, on peut négliger l'épaisseur de l'atmosphère et la position peut être déduite en latitude et longitude directement. Il faut cependant faire attention à la parallaxe introduite en allant vers les pôles.
Limitations
Réseaux
Antennes faisant partie d'un réseau de détection de la foudre en Chine. Ce réseau peut détecter les éclairs en trois dimensions dans les orages
La foudre ne se produit pas en un point unique mais passe d'un point à l'autre dans le nuage, ou entre nuages, ou même entre un nuage et le sol. Le signal électromagnétique émis peut provenir de n'importe où le long de ce trajet. Une antenne peut noter la direction du début de l'éclair et une seconde la fin de celle-ci ce qui veut dire que les lignes de triangulation ne se rejoindront jamais ou au mauvais endroit. De plus, on a rarement un seul éclair lors d'orages et des éclairs voisins mais émis à des temps légèrement différents peuvent être pris pour le même éclair avec seulement la direction obtenue par deux antennes.
Pour qu'une donnée soit acceptée, il faut donc qu'au moins trois antennes puissent en faire la triangulation à l'intérieur d'une marge d'erreur donnée. La distance, elle, se calcule par le temps coordonné d'arrivée du signal électromagnétique, et non du son, entre les trois antennes. En effet, on connait la vitesse de la lumière à laquelle se déplace le signal et en remontant dans la direction d'où les trois antennes notent le signal, on doit arriver à un même temps d'émission au point de croisement (plus ou moins la résolution). Les réseaux de surface donnent des indications en continu sur la position de la foudre avec une résolution de moins de 1 km en général.
Dans le cas d'un coup de foudre nuage-sol, cela est relativement aisé puisque la distance latérale parcourue par l'éclair est peu importante. Cependant, dans le cas d'éclairs entre nuages, une antenne peut déterminer la direction comme étant celle du nuage source alors que les autres donneront la direction vers le nuage récepteur ou quelque part d'autre le long de la trajectoire de l'éclair. La distance entre ces deux nuages pouvant être hors de la marge d'erreur, la donnée sera souvent rejetée. On estime à seulement 10% la quantité d'éclairs nuage-nuage pour lesquels le problème est résolu ce qui diminue l'efficacité des réseaux de détection de surface. Comme ce type d'éclair est très prévalent au début de l'orage, l'utilisateur va donc avoir notification de la formation d'un orage en retard.
Antenne unique
Les détecteurs de foudre à antenne unique vont capter tous les éclairs et leur donner une position. Cependant, ce type de système part avec l'hypothèse d'une relation entre la fréquence et la diminution de l'amplitude du signal radio avec la distance de l'émetteur pour en tirer la distance à l'antenne. Or, la foudre ne suit pas nécessairement ce standard. La direction sera bonne mais l'erreur de position peut être grande. De plus, un faible signal près de l'antenne peut être interprété comme un fort signal beaucoup plus loin.
Satellite
Le satellite peut noter plus exactement la position des éclairs et ne souffre pas du problème de discrimination de la source de la foudre étant un capteur unique. La NASA estime à 95% son taux d'efficacité. Cependant, ses capteurs doivent effectuer un balayage complet du champ de vision avant d'envoyer l'information à un relais terrestre. Les données ne sont donc disponibles que toutes les 5 ou 10 minutes. Certains utilisateurs ne peuvent accepter ce genre de délai.

Détecteur de foudre et radar météorologique


Cycle de vie d'un orage avec les réflectivités simulées d'un radar météorologique en couleur

distribution des charges électriques et de la foudre dans et autour d'un orage.
Les détecteurs de foudre sont utilisés en conjonction avec les radars météorologiques pour détecter la formation, la position et le potentiel de menace des orages. L'image de droite montre le cycle de formation d'un cumulonimbus :
Détail
L'air instable subit la poussée d'Archimède
La vapeur d'eau contenue dans l'air se condense en gouttelettes de nuages puis en précipitations
Lorsque le point de la précipitation est plus grand que ce que le courant ascendant ne peut soutenir, la pluie tombe et produit un courant d'air descendant.
Les radars météorologiques peuvent suivre l'évolution des précipitations en altitude et près du sol mais ne peuvent dire s'il y a eu présence de foudre. Le détecteur de foudre va donner cette indication. La foudre va également se produire entre l'enclume et le sol à l'avant de l'orage (seconde image), là où le radar ne voit pas de précipitations, le détecteur de foudre pourra donner cette information. Finalement, selon la longueur d'onde utilisée, le signal reçu par le radar météorologique peut être atténué par une forte précipitation et des orages situés derrière cette pluie risque d'être masqués. Le détecteur de foudre étant moins affecté par cela, il servira de système de détection indépendant.
Les patrons d'évolution des réflectivités et des coups de foudre vont donner des indications aux métérologistes sur la structure de l'orage, sur son intensité et sur son potentiel de temps violent
Pour l'aviation, l'utilisation de détecteurs de foudre à bord des appareils permet d'éviter les orages. Les appareils de ligne sont généralement munis de radars métérologiques en plus de ces détecteurs.
La foudre est un phénomène naturel de décharge électrostatique disruptive qui se produit lorsque de l'électricité statique s'accumule entre des nuages d'orage ou entre un tel nuage et la terre. La différence de potentiel électrique entre les deux points peut aller jusqu'à 100 millions de volts et produit un plasma lors de la décharge, causant une expansion explosive de l'air par dégagement de chaleur. En se dissipant, ce plasma crée un éclair de lumière et le tonnerre.
La foudre a tendance à frapper les régions de haute altitude et les objets proéminents. Le tonnerre peut résonner d'un craquement sec lorsque l'éclair est proche ou gronder au loin. Comme la lumière voyage plus vite que le son, l'éclair est visible avant que le tonnerre ne soit audible.
Cycle de vie d'un orage : fort mouvement ascendant au début et descendant ensuite. Ce qui crée les conditions favorables au transport des charges électriques
Les nuages d'orage (cumulonimbus) créent les conditions météorologiques favorables à l'accumulation de charges électriques et par conséquent à la création d'un condensateur géant :
Détail
Une différence de température importante entre le bas et le haut du nuage, induisant de violents déplacements d'air
La présence de particules diverses comme de la glace et des poussières qui par effet triboélectrique vont faciliter l'arrachement ou l'ajout d'électrons, selon le signe
L'air (et tout ce qu'il contient) étant électriquement chargé, il se crée dans le nuage des zones à potentiel électrique différents : négatif à sa base et positif à son sommet. Il s'ensuit un champ électrique très important.
L'électrisation du nuage d'orage est basée sur deux phénomènes : la gravitation et la convection.

La gravitation

Les gouttes de pluie, les grêlons et les particules de grésil (de petits grains de glace) tombent par gravité vers le bas du nuage, au-dessous des gouttes d'eau et des cristaux de glace de taille inférieure qui restent en suspension. Lorsque les grosses particules entrent en collision avec les cristaux de glace à une température inférieure à une limite critique, autour de -15°C, les grains de grésil se chargent négativement, et positivement si cette température est supérieure à ladite limite. Comme les grains tombent plus rapidement que les cristaux, ils transportent depuis les zones supérieures du nuage, où les températures sont inférieures à -15°C, des charges négatives vers le bas. Le seuil des -15°C dépassé, celles-ci deviennent positives. On obtient alors une structure tripolaire du nuage avec une couche médiane chargée négativement entourée de deux couches positives. Cependant les chocs entre particules ne sont pas seuls à l'origine de l'électrisation du nuage.

La convection

Les ions libres dans l'atmosphère sont captés par les gouttelettes dans le nuage qui sont ensuite déplacées dans les courants verticaux créés par le mécanisme de la convection. Ceci produit des accumulations de charges différentes selon l'altitude dans le nuage.
D'une part les rayons cosmiques frappent les molécules d'air situées au-dessus du nuage et les ionisent : ces ions négatifs se fixent aux cristaux et aux gouttelettes du nuage et forment une couche appelée couche écran en haut du nuage. D'autre part, le champ électrique intense au voisinage des objets pointus à la surface de la Terre produit une décharge Corona d'ions positifs : quand le potentiel de l'objet pointu est suffisant, un champ électrique intense produit l'excitation des électrons avoisinant. Ceux-ci entrent alors en collision avec des atomes neutres, qui libèrent alors de nouveaux électrons qui vont, à leur tour, créer d'autres électrons et ainsi de suite, provoquant une réaction en chaïne. C'est l'avalanche électronique ou ionisation par choc. Les ions positifs créés sont ensuite entraïnés par l'air chaud s'élevant par convection et participent ainsi à l'électrisation du nuage. La couche inférieure positive du nuage étant assez fine, c'est la couche négative qui aura une influence sur la Terre. En effet, lors d'un orage celle-ci se charge positivement par influence.

La décharge


Lorsque ce champ électrostatique dépasse les limites diélectriques de l'air (variables selon les conditions d'humidité et de pression), il s'ensuit la décharge de foudre visant à un ré-équilibre électrostatique :
Détail
le traceur ou précurseur, transportant une faible charge électrique, avance vers une zone de charge opposée à une vitesse de l'ordre de 200km / s, créant ainsi un canal ionisé. Dans le cas d'une décharge négative, ce précurseur progresse par bonds de longueurs proportionnelles à l'amplitude de la décharge. C'est ce phénomène que tentent d'exploiter les paratonnerres.
Les arcs en retour se déclenchent alors successivement ils utilisent le canal du précurseur pour libérer les charges électriques accumulées à une vitesse pouvant alors dépasser 100000km / s.

Couleur

Le long du chemin parcouru, les gaz sont surchauffés et ionisés (la température peut y atteindre 30000°C, cinq fois celle de la surface du soleil) et forment ainsi un plasma conducteur, ce qui explique l'émission soudaine de lumière que l'on observe. Ce phénomène lumineux est appelé éclair. La couleur de cet éclair dépend de plusieurs facteurs : la densité de courant, la distance de l'observateur à l'éclair et les différentes particules présentes dans l'atmosphère. Cependant, en général, la couleur de l'éclair est blanche dans un air sec, jaune en présence d'une grande quantité de poussière, rouge en cas de pluie et bleue en présence de grêle.

Fréquence



Carte mondiale avec la fréquence de la foudre. On remarque que les zones équatoriales sont celles où les décharges sont les plus fréquentes.
Détail
La foudre est l'objet d'études statistiques car il y a de nombreuses différences de caractéristiques (amplitude, durée, nombre d'arcs en retour) suivant l'éclair (intra-nuage, nuage-sol, positif, négatif).
50% des coups de foudre ont une intensité inférieure à 50000 A et 99% inférieure à 200000 A. Environ 60% des décharges sont intra ou inter-nuageuses, on estime à 32 millions le nombre d'éclairs frappant le sol chaque année dans le monde.
La fréquence des coups de foudre est définie à partir du niveau kéraunique (nombre de fois où le tonnerre a été entendu dans l'année) et surtout de la densité de foudroiement (nombre de coups de foudre au km² par an). Ce dernier mode de quantification peut être alimenté par des moyens de mesure, les détecteurs de foudre : moulin à champs, antennes directionnelles et capteurs par satellites.
On voit dans l'image de droite que le taux de foudre est généralement relié à la latitude et la proximité de l'humidité. Ainsi les zones équatoriales ont les plus grandes densités, particulièrement les zones côtières. On ne devrait pas en être surpris puisque les orages qui produisent la foudre sont engendrés par une instabilité de l'atmosphère et une humidité de bas niveau. Ainsi les zones équatoriales ont plus de chances d'être chaudes et humides à l'année que les zones polaires.
Naturellement, les conditions à l'échelle synoptique organisent la convection également. Ce n'est pas partout à l'équateur que les conditions sont favorables à la formation des orages. Ainsi, la zone de convergence intertropicale, où convergent les alizés, donne le soulèvement nécessaire pour la formation d'orages assez continuels mais au nord et au sud de celle-ci on a un mouvement descendant de l'air qui dégage le ciel.

Tonnerre

La foudre s'accompagne d'une onde acoustique, le tonnerre. Cette onde est engendrée par la dilatation brutale de l'air surchauffé par l'arc électrique. Elle peut consister en un bruit sec ou un roulement sourd selon la distance séparant l'auditeur de la foudre.

Autres effets

La foudre peut s'accompagner, dans les cas de fortes décharges, de phénomènes lumineux secondaires en haute altitude. La brièveté de ces flashs, ainsi que leur altitude (mésosphère et ionosphère), ont repoussé leur découverte par les scientifiques à ces dernières décennies.

Distance

La vitesse du son permet une bonne approximation de la distance qui sépare un observateur d'un éclair. Dans l'air, à pression atmosphérique et à 15°C, le son parcourt 340,88 mètres en 1 seconde. Ainsi, la durée qui sépare la perception visuelle d'un éclair (pratiquement instantanée puisque la lumière se déplace à 300000 km / s) de la perception auditive du tonnerre, permet de calculer la distance qui sépare l'observateur de l'éclair.
Naturellement, la pression et la température réelle de l'air vont changer cette valeur mais de très peu dans les conditions normales .Au point d'origine de l'éclair où on retrouve un plasma, cette variation est significative sur une très courte distance mais cela est négligeable sur le chemin total parcouru par le son. Ce qui peut être plus important dans cette approximation est la stabilité de l'air. En effet, le son se disperse dans des conditions instables et porte plus loin dans des conditions stables. Ceci veut dire qu'il est très possible de voir un éclair sans entendre le tonnerre et donc de ne pas pouvoir calculer la distance à l'orage. Ainsi, les orages estivaux se produisent dans de l'air instable et il y a une limite à la perception du tonnerre. Dans le cas des orages hivernaux se produisant au-dessus d'une couche stable d'inversion de température, le son sera réverbéré en altitude par cette couche et ne sera généralement pas perçu au sol mais s'il peut la pénétrer, il portera très loin.

Différents types de foudre

éclairs intra-nuageux et inter-nuageux
La disposition des charges électriques dans l'orage, tel qu'expliquée antérieurement, crée des différences de potentiel entre le sommet, le centre et la base de l'orage. Lorsque le potentiel est suffisamment grand, l'air entre ces différents niveaux n'est plus assez isolant et un claquage se produit. La foudre alors générée peut se produire entre les différentes parties du nuage ou entre des nuages voisins.
Comme ces couches sont plus près en général entre elles qu'elles ne le sont du sol, ce genre d'éclairs sera le premier à se produire. à mesure que l'orage prend de l'extension verticale et que le potentiel augmente, la foudre nuage-sol prendra le dessus sans jamais être la seule. Le changement de proportion entre le type inter / intra-nuageux et nuage-sol est donc une indication du stade de développement du cumulonimbus.
éclairs nuage-sol
Il existe deux types de foudre nuage-sol : soit descendant (sommet du nuage vers le sol) ou soit ascendant (sol vers base du nuage). Le type descendant est le plus fréquent mais un basculement de ce type vers le type ascendant est souvent indicatif de temps violent car le nuage est alors particulièrement développé. Le type ascendant se produit également souvent à l'avant du nuage proprement dit, car il part de l'enclume ce qui peut surprendre les gens qui se pensent à l'abri en voyant l'orage dans le lointain. Le type ascendant est le plus fréquent dans le cas de coup de foudre sur des structures de grande hauteur (tour, pylône).

Foudre en boule.

La foudre en boule, ou foudre globulaire, est un phénomène se produisant parfois à l'impact (dans de très rares cas avant). Elle se présente en règle générale sous la forme d'une sphère lumineuse de taille variable (du centimètre à plusieurs dizaines de centimètres de diamètre). Les observations rapportent différentes couleurs (blanc, rougeâtre, parfois jaune....) et une durée de vie très différente selon les cas, mais le plus souvent tout au plus quelques secondes. Encore aujourd'hui les connaissances à son sujet sont assez fragmentaires. Il a été tenté de nombreuses fois de la reproduire en laboratoire, comme par exemple selon la théorie chimique imaginée par les chercheurs néo-zélandais John Abrahamson et James Dinnis, sans toutefois apporter d'explication réelle au phénomène. Les premières boules de feu artificielles auraient été créées par des scientifiques brésiliens de cette façon :
Détail
Un arc électrique créé entre deux électrodes vaporise du silicium pur.
En se refroidissant, le nuage de silicium se contracte.
Le silicium se combine à l'oxygène de l'air. La réaction chimique dégage de l'énergie donnant une température estimée de 1700°C à ces boules de feu qui tournent généralement sur elles-mêmes juste au-dessus du sol puis disparaissent.

Dangers

Il y a environ 2000 orages dans le monde entier à chaque instant. Ces orages produisent entre 30 et 100 éclairs nuage-sol par seconde ou environ 5 millions d'éclairs par jour.
Les dangers de la foudre sont définis par :
Les effets directs (thermoélectriques) : la circulation d'un très fort courant électrique échauffe la matière et cause des dommages mécaniques souvent très importants, voire spectaculaires. Chaque année, en France, environ 2 millions de coups de foudre sont enregistrés par les systèmes de détection, et près de 250 clochers sont plus ou moins gravement endommagés par le "feu du ciel" qui provoque également entre 15000 et 20000 incendies
Les effets indirects (électromagnétiques) : le courant de foudre induit d'une part une tension de mode commun (U = RI + L dI / dt) et un champ électromagnétique d'une intensité exceptionnelle. Il s'ensuit la génération d'impulsions électriques parasites très puissantes, qui sont majoritairement en cause dans les dégâts d'après les statistiques . Ces parasites suffisent en effet à dégrader des matériels électroniques sensibles (téléviseurs, ordinateurs, etc.) même si l'éclair est éloigné. Si l'éclair est plus proche, le parasite peut aussi détruire des matériels plus résistants (lampes, moteurs, fours).
La conduction : Pourquoi les vaches craignent elles la foudre, Le foudroiement direct d'animaux (ou personnes) est très rare. Cependant, lorsque la foudre frappe la terre, les charges électriques se dissipent dans le sol dont le potentiel électrique devient plus ou moins important suivant la nature du sol (sa résistivité) et de la distance à l'impact. La différence de potentiel (tension) entre deux points est d'autant plus importante que l'écart est grand (amplitude d'un pas), pour une résistivité donnée. Plus cette tension est importante, plus le courant qui peut alors circuler par les membres inférieurs est important. Ce phénomène est appelé tension de pas, plus élevée pour une vache orientée dans la direction du rayon d'un cercle dont le centre est l'impact, que pour un être humain.
La foudre est comme issue d'un générateur parfait de courant. Une des méthodes de protection est donc de faciliter la circulation des charges électriques vers la terre au moyen de conducteurs non fonctionnels.
Le paratonnerre va faciliter le chemin du canal foudre par effet de pointe. Le paratonnerre sera efficace à condition d'être en présence d'un coup de foudre descendant dont le précurseur avance par bonds successifs ,ce qui est le cas dans 90% des coups de foudres. Il est, ensuite, très important d'assurer une continuité électrique de grande capacité jusqu'à la terre.
Ce procédé ne garantit pas l'interception d'un arc électrique, qui peut tomber juste à proximité. Pour cette raison, les constructions industrielles sensibles sont équipées de nombreuses pointes et filins conducteurs. Il est aussi conseillé de réaliser l'interconnexion de toutes les parties conductrices présentes aux abords (par exemple les conduites d'eau) avec ce circuit de descente de foudre.
Un bon dispositif extérieur de protection d'une installation contre la foudre est constitué de trois composantes :
Détail
Un dispositif de capture, qui peut prendre plusieurs formes : fils tendus, paratonnerres à tige ou paratonnerres à dispositif d'amorçage, conducteurs maillée Ces dispositifs doivent être dimensionnés, en fonction du niveau de protection souhaité, par la méthode de la sphère fictive déduite du modèle électrogéométrique de la foudre, de manière à ce qu'un impact foudre se produise préférentiellement sur le dispositif et non sur l'installation à protéger.
Une prise de terre, constituée d'un réseau de conducteurs nus et enterrés, en contact intime avec le sol, qui doit permettre de disperser "facilement" les courants dans le sol. Pour ce faire, ces conducteurs doivent présenter une faible résistance de terre, ce qui permet en outre de limiter les surtensions susceptibles d'apparaïtre sur les liaisons électriques extérieures qui pénètrent dans l'installation à protéger.
Des conducteurs de descente, qui assurent la jonction entre le dispositif de capture et la prise de terre.
Cet ensemble de conducteurs doit être interconnecté correctement et durablement.
Toutefois, l'installation d'un paratonnerre ne prend pas en compte les effets indirects de la foudre sur une installation. La circulation du courant foudre sur les conducteurs du dispositif génère un champ magnétique impulsionnel intense qui peut perturber voire détruire certains constituants de l'installation électrique du bâtiment à protéger. Plusieurs solutions peuvent être envisagées afin de limiter ces effets :
Détail
éloigner les conducteurs de capture et de descente de l'installation à protéger, puisque le champ magnétique rayonné par un conducteur est inversement proportionnel à la distance par rapport à ce conducteur
multiplier ces conducteurs de manière à diviser les courants: on réduit ainsi les niveaux de champs à proximité des conducteurs et si le courant est bien réparti autour de l'installation à protéger, on obtient également un effet de compensation du champ magnétique créé par chaque conducteur
augmenter l'atténuation propre à la structure de l'installation, par exemple par une amélioration de la continuité électrique du ferraillage dans le cas de constructions en béton armé (soudure des croisements et des chevauchements de fers) de manière à constituer un meilleur écran électromagnétique
améliorer l'équipotentialité des masses métalliques de l'installation pour limiter les différences de potentiels induites, en interconnectant les différents éléments conducteurs de l'installation (poutres métalliques, conduites d'eau, châssis des armoires et des équipements électriques) au moyen de tresses de masse par exemple
apporter un traitement particulier au câblage de l'installation : placer les câbles au plus près des masses métalliques (poutres par exemple) ou sur des chemins de câbles métalliques reliés à la masse à leurs deux extrémités, ce qui permet de réduire les surfaces des boucles de masses et donc les tensions parasites induites aux entrées / sorties des équipements électriques.
Dans les réseaux électriques, on évite que la foudre tombant sur les lignes électriques ne se propage à l'intérieur poste en installant au-dessus des conducteurs électriques de ces lignes des câbles de garde, qui en plus de leur rôle de support de communication (ils contiennent des fibres optiques), jouent un rôle de protection contre la foudre. Au-delà de cette protection primaire, la protection des installations électriques contre les surtensions produites par la foudre sur les conducteurs actifs des liaisons électriques est réalisée par l'utilisation de composants parasurtenseurs (parafoudres, éclateurs à gaz, thermistances, diodes Transil) qui ont pour but de court-circuiter les impulsions parasites cheminant sur les liaisons électriques en dérivant la majeure partie de l'énergie de l'impulsion directement vers la terre. Le bon câblage de ces composants est essentiel à leur efficacité. La longueur et la position des câbles jouent en effet un rôle primordial.

Résonances de Schumann

Les résonances de Schumann sont un ensemble de pics spectraux dans le domaine d'extrêmement basse fréquence (3 à 30 Hz) du champ magnétique terrestre. Ces résonances globales dans la cavité formée par la surface de la Terre et l'ionosphère, qui fonctionne comme un guide d'onde, sont excitées par les éclairs. Le mode principal a une longueur d'onde égale à la circonférence de la planète et une fréquence de 7,8 Hz. Sont présentes, en plus de la fondamentale à 7,8 Hz, des harmoniques à 14,3 Hz, 20,8 Hz, 27,3 Hz et 33,8 Hz. Ces valeurs présentent une légère excursion de fréquence, précisées dans la page originale. Elles sont nommées d'après le physicien allemand Winfried Otto Schumann qui les prédit dans les années 1950. Elles furent observées dans les années 1960.
Prédiction des résonances
La prédiction des résonances de Schumann est attribuée au physicien allemand Winfried Otto Schumann qui en avait anticipé l'existence dans les années 19501, mais il fallut attendre une décennie pour qu'elles soient mesurées. George Francis Fitzgerald (en 1893) et Nikola Tesla (en 1900) avaient déjà émis l'idée que la cavité surface-ionosphère puisse servir de guide d'onde dont ils avaient calculé l'ordre de grandeur du mode principal et émis l'idée que les orages puissent exciter la résonance.
Dans l'hypothèse d'une ionosphère et d'une surface terrestre de conductivité électrique infinie, les résonances vérifient la formule :
c est la vitesse de la lumière
RT est le rayon de la Terre
n l'ordre de l'harmonique
En raison de la conductivité finie de la Terre et de l'ionosphère, les pics se situent à une fréquence plus basse que celle qui est prédite par la théorie et sont plus écartés sur le spectre électromagnétique. De plus, des asymétries sont liées à l'alternance jour-nuit, à la variation longitudinale du champ magnétique terrestre, à des perturbations ionosphériques et à l'absorption par les calottes polaires.
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