Que faire en cas de tempête ?
Dans le numéro ci-dessus (à savoir, "Elhuyar. Science et Technique" 76, octobre 1993), "Électricité atmosphérique. Dans l'article intitulé "La foudre et d'autres" nous avons vu les phénomènes électrostatiques dans l'atmosphère, et cette fois nous parlons surtout des rayons et des protections.
Structure des nuages de tonnerre. Origine et évolution
Pour comprendre le comportement des attaques de tonnerre et la distribution de charges électriques, nous partons de l'explication de sa structure générale, dans laquelle la structure mécanique-thermodynamique est fondamentale.
Les nuages des attaques de tonnerre sont disposés par des chambres, chacune d'elles peut être considérée comme presque indépendante, et ce qui se passe dans chacune d'elles est similaire. Imaginons donc une telle pièce et analysons son évolution temporelle. À cet égard, la figure 6 montre schématiquement trois étapes de cette évolution, représentant la phase initiale de croissance, la salle mûre et la phase finale. Commençons par une brève description de ces trois phases.
Dans la première phase le nuage se gonfle et grandit, avec des courants ascendants dans l'air, qui à leur tour absorbent l'air environnant. De plus, à mesure qu'il monte, l'air monte à une vitesse plus élevée. En arrivant à la phase de maturité, le nuage est beaucoup plus grand et plus élevé qu'au début, et à l'intérieur, les courants sont organisés dans des directions différentes. Sur un côté, on génère un fort courant à la baisse qui favorise la chute de gouttes d'eau épaisses ou de grêle, provoquant une pluie intense sous forme de tempête. À cette époque, les rayons se produisent principalement. De la même manière, peu avant, des vagues d'air frais se produisent autour de la surface.
Avec le temps, à mesure que la vie du nuage s'achève, l'agression perd de force, et dans la troisième phase les courants d'air dans le séjour se réchauffent, avec une tendance à la baisse, et la pluie s'atténue. Par dessus, le nuage est dispersé sous forme d'enclume. La fin de l'attaque de tonnerre arrive.
Dans cette évolution se trouvent des aspects d'intérêt physique, en particulier l'explication mécanique-thermodynamique de la génération des courants et la distribution de la charge électrique. De la première, nous ne parlerons pas beaucoup ici, car il est possible de trouver suffisamment d'informations dans les travaux de référence. Deuxièmement, il est dit que la structure des charges électriques dans le cas de la salle adulte des attaques de tonnerre est similaire à celle représentée dans la figure 7.
On observe que la partie supérieure est chargée positivement, tandis que la partie inférieure est majoritairement négative. Cependant, dans la partie inférieure il y a une petite région où il y a une charge positive et il est situé dans la région des pluies intenses. On ne comprend pas très clairement le fonctionnement de cette région.
Mécanisme de distribution des charges
On peut demander comment la structure électrique des nuages apparus dans la section précédente peut se produire. D'une part, nous pouvons dire que cette structure est suffisamment testée par des mesures, mais d'autre part, pour expliquer le mécanisme qui génère cette distribution, non seulement la théorie, mais aussi l'inadéquation.
La charge au fond des attaques de tonnerre est très élevée, ce qui peut conduire à une différence de potentiel entre le nuage et l'écorce terrestre de 20, 30 ou 100 millions de volts, bien supérieure aux 0.4 millions de volts de la couche de 50 km à la surface terrestre. Cette énorme différence de potentiel est celle qui provoquera les rayons, transportant à la surface terrestre 20~30 coulomb à chaque décharge de ce type. Vous pouvez demander combien de temps le système de la salle de nuages prend à récupérer.
Les mesures indiquent que la moyenne est de 5 secondes ou moins. C'est-à-dire, passé ce temps le système est prêt pour un nouveau téléchargement, même si le processus est suffisamment aléatoire, car la géométrie et les conditions du nuage changent constamment. Cependant, c'est ce qui fait un courant de 4 ampères dans le mécanisme du nuage de tonnerre, de sorte que les charges internes positives et négatives doivent être distribuées à ce rythme, ce qui nécessitera une théorie adéquate.
Selon les données de l'expérience, il est évident que dans le cas des agressions de tonnerre il y a une forte relation entre les pluies torrentielles et l'activité électrique, et que les phénomènes électriques apparaissent coïncidant avec le début de la forte précipitation. Il existe également un certain nombre d'exigences que toute théorie de la distribution de charges doit répondre:
- La charge ci-dessus positive et négative.
- La distribution de charges doit pouvoir expliquer la valeur de certaines ampères.
- Le processus doit également se produire en dessous du point de congélation de l'eau et doit être compatible avec les précipitations à l'état solide.
Pour expliquer celles-ci et d'autres, différentes théories ont été inventées, mais aucune ne donne une explication complète et adéquate. Cependant, nous allons faire une déclaration de ce genre de théorie, avec l'intention d'expliquer comment les choses peuvent arriver, mais conscient qu'il n'est pas total. Cette théorie est la théorie de Wilson
La théorie de Wilson analyse le comportement de la goutte d'eau qui tombe dans un champ électrique (quelle que soit la congélation). Pour la cause du champ, la goutte aura un moment dipolaire induit, étant la partie inférieure positive et la partie supérieure négative, comme le montre la figure 8. Il est ensuite considéré comme existant dans l'air les grands ions mentionnés ci-dessus. Pendant la chute de la goutte, en approchant les ions, les ions positifs seront repoussés par le bas et ils pourront difficilement se rapprocher du haut de la goutte, car les gouttes tombent rapidement et les grands ions fonctionnent lentement. D'autre part, à l'approche, la goutte attirera des ions négatifs et ceux-ci peuvent être pris au piège, portant négativement la goutte. De cette façon, la charge négative serait déplacée vers le fond des nuages, expliquant en quelque sorte la structure du nuage.
Cependant, il ya des problèmes qui n'ont pas été clarifiés avec cette théorie. Premièrement, la distribution de charges dans les nuages de tonnerre est très élevée et l'approvisionnement en ions atmosphériques simples est insuffisant. Pour cette raison Wilson et d'autres ont proposé une source supplémentaire d'ions qui peut se résumer comme suit. Une fois la distribution de charges démarrée, on observe des zones électriques très violentes qui permettent à l'air d'être facilement ionisé. S’il y a des points très chargés (par exemple une petite goutte), une “décharge de brosses” peut se produire.
En raison du fort champ électrique, les électrons s'accélèrent, heurtant les atomes, extrayant plus d'électrons et laissant des charges positives derrière. Cela peut conduire à une sorte de réaction des chaînes localement, produisant de grandes captations d'ions. Il se peut que quelque chose se produise à l'intérieur des nuages, de sorte que le problème de la fourniture d'ions soit exposé. Mais la vérité est qu'il n'est pas très clair si les choses passent vraiment comme ça.
Dans tous les cas, l'explication ci-dessus nous permet de comprendre, au moins en partie, la production d'électricité dans l'atmosphère. Ainsi les choses se produisent plus ou moins dans un nuage de tonnerre. Pour la cause des courants d'air, les ions et les gouttes d'eau ou les particules de glace sont réparties les charges positives et négatives.
Les charges positives sont conduites à la partie supérieure du nuage et celles négatives à la partie inférieure, en passant ces dernières à travers les rayons vers la surface terrestre, en passant les charges positives aux couches supérieures dans le démantèlement du nuage. D'autre part, cette séparation entre les couches atmosphériques engendrées par les attaques de tonnerre se décharge lentement dans des régions au beau temps, grâce à la conductivité des ions émis à l'air par des rayons cosmiques et autres moyens. Ce processus global, en équilibre dynamique, est en cours de production continue à travers la planète Terre.
Explication du processus de foudre
Pour expliquer le processus des rayons, nous citerons le cas du rayon le plus commun, qui se produit entre la partie basse négative du nuage et la région positive de la surface terrestre, pour comprendre qualitativement les processus qui se produisent dans les différents types de rayons.
Comme déjà indiqué, dans ce cas, l'accumulation de charge négative dans la partie inférieure des nuages de tonnerre passe à la surface terrestre par des rayons. Comment ? Dans les lignes suivantes, nous allons essayer de décrire le cas le plus commun.
La partie inférieure du nuage est beaucoup plus négative que la surface terrestre qui l'a en face, de sorte que les électrons s'accélèrent vers le sol. Cependant, la foudre est canalisée par une voie très définie, selon le processus ultérieur. Tout d’abord, il y a quelque chose qui s’appelle “étape leader”. Chacun d'eux est droit, a une longueur d'environ 50 m et est chargé négativement du nuage. Chaque étape se fait très rapidement (par exemple, la sixième partie de la vitesse de la lumière), puis s'arrête, avec environ 50 microsecondes, pour faire un pas de plus, en changeant de direction, faisant à tous un chemin semblable à celui de la figure 9.
Une fois que le passage principal est arrivé au sol, il y a un chemin comme un « fil conducteur » pour faire passer la charge du nuage au sol. Ainsi, le rayon visible se produit, c'est-à-dire que le rayon se déplace vers le haut, comme le montre la figure 10, puisque la décharge commence au contact du sol. C'est pourquoi il est appelé éclairage de retour. En moyenne, le courant de décharge de foudre peut atteindre un pic de 10.000 A, bien sûr en très peu de temps, transportant jusqu'à 20 coulomb.
L'énergie utilisée dans le processus se transforme principalement en un bruit, une radio et une chaleur, appelé tonnerre, qui est entendu peu après la lumière sonore. Bien que le pic de température atteignable dans le canal créé par le passage principal est très élevé (environ 30.000 ºC), la durée du sommet est de quelques milons de seconde, ce qui rend les vêtements des personnes touchées par la foudre à peine brûler. Cependant, dans certains cas, il est capable de créer des étincelles pour commencer à brûler des forêts. D'autre part, ce surchauffe de l'air génère les ondes de choc qui génèrent des tonnerres.
Cependant, il n'est pas nécessaire de terminer le processus précédent avec le seul téléchargement existant. Lorsque la décharge de retour disparaît, un autre leader descend, cette fois sans escale, et reprend le déchargement. Le processus peut être répété plusieurs fois jusqu'au prochain rayon.
Dans la description ci-dessus, aucun élément particulier n'a été pris en compte, comme la considération de la surface plane. Nous n'avons rien dit sur les formes géométriques que l'on peut créer localement et sur l'influence locale que peuvent avoir les objets pointus (constructions hautes, arbres seuls, sommets montagneux...) au moment de diriger le rayon vers un point ou un autre. Mais nous en parlerons dans les paragraphes suivants.
Structure de paratonnerres
Franklin a été le premier à suggérer l'idée de préparer des paratonnerres, afin de tester le processus d'électrification des nuages de tonnerre et ensuite de canaliser le courant bertatique sans danger. La façon de protéger la maison par le paratonnerre est schématiquement montré dans la figure 11. On peut observer que le paratonnerre est relié au sol par un câble ou une lame métallique (généralement en cuivre). L'idée est très simple, c'est-à-dire mettre la bonne voie pour que la foudre puisse arriver, de sorte que le courant puisse démarrer sans tracas dans les autres.
En bref, le paratonnerre sert à capter les rayons qui tombent autour de lui et sert à transporter le courant directement et sans danger au sol. Il semble qu'il envelopperait celles qui tomberaient dans le rayon de sa hauteur et, selon les auteurs, avec le sommet à la pointe protégerait le cône inférieur de 45º.
D'autre part, à l'heure actuelle, l'installation électrique des ménages est un problème très pris en compte et que la plupart des appareils sont réalisés avec connexion à la terre, pour lequel le troisième fil est placé au sol.
Mesures de sécurité contre les attaques de tonnerre
Comme indiqué dans les paragraphes précédents, il faut faire attention en cas d'attaques de tonnerre, si possible pour éloigner l'influence des rayons sur les personnes. Les recommandations suivantes sont contenues dans le Dictionnaire de météorologie publié par UZEI, classées en deux groupes. L'adéquation de ces mesures peut être discutée en fonction de ce qui précède exposé.
A) Si vous êtes dans Etxebarne
- Rester à l'intérieur de la maison sans sortir. Ne pas approcher les portes et fenêtres ouvertes. Éviter le contact avec des appareils électriques inutiles et avec des objets métalliques tels que four, tuyauterie ou puits.
- Ne pas utiliser d'appareils électriques pendant l'attaque de tonnerre.
- En cas d'agression de tonnerre, le téléphone ne sera pas utilisé, sauf pour demander de l'aide. Le rayon peut entrer par le fil téléphonique.
- Il ne faut pas sortir pour ramasser les vêtements qui séchent.
B) Si vous êtes en plein air
- Cesser de travailler et s'éloigner des outils métalliques. Tracteurs et autres outils de culture sont en contact avec le sol et les rayons sont fréquents.
- Mettre dans la voiture, si possible, ou si elle est à l'intérieur, ne pas sortir. Les voitures offrent une bonne protection contre les rayons.
- Recherchez la protection à la maison. S'il n'y avait pas de maisons dans les environs, entrez dans une grotte ou une tranchée ou gardez sous une masse d'arbres.
- Celui qui est avec le sac à dos, laissez-le sur le sol et agenouillé sur elle. Le sac à dos agit comme isolant.
- Si les cheveux se lèvent, la peau est picotée ou la nuit on voit dans les objets métalliques une lumière bleue (le Santelmo clair), la foudre est sur le point de tomber. Allonger le plus tôt possible sur le sol.
Remarque: Les personnes qui ont souffert de la foudre peuvent ressusciter plusieurs fois en faisant la respiration bouche à bouche, le massage cardiaque et la respiration artificielle prolongée.
Quant à la note finale, on peut citer comme exemple le cas de Toy Trice qui apparaît dans l'image de gauche. Malgré les rayons tombés dans le football américain, même si la carapace est altérée et les vêtements brûlés, et même si il est mort sans respiration, on peut dire qu'avec la respiration artificielle et d'autres aides, il a été “ressuscité”. Et c'est que, pour ceux qui connaissent ce problème, avec un travail rapide et approprié de secours à temps, la plupart des personnes touchées peuvent survivre. Répétant les paroles ironiques du professeur Martin Uman: «En réalité, le rayon n'est pas capable de tuer les gens». Malheureusement, ce même été, un garçon de treize ans a été tué par le rayon d'Etxarri Aranatz. Les premiers secours sont arrivés trop tard.
D'autre part, de nombreux arbres touchés par la foudre survivent sans subir de grands dommages. Cela s'est produit dans le cas de l'arbre de l'image. Ce rayon est tombé en 1984 et l'arbre est toujours vivant. La plupart du temps, le courant passe par la surface de ses troncs sans détériorer la structure interne. Cependant, il y a des arbres qui sont restés calcinés.
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