Les éclairs sous l'œil de la caméra. I. Introduction

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1 Les éclairs sous l'œil de la caméra I. Introduction Depuis 1992, l IRM dispose d un système de détection de la foudre qui est capable d observer l activité électrique associée aux orages. A côté de la recherche purement scientifique liée à ce système, les observations des éclairs sont aussi utilisées par les prévisionnistes dans leur travail de suivi et de prévision des orages. Ces informations sont en outre d une importance capitale pour l aviation. En effet, les orages sont associés à des masses d air instable qui peuvent rendre la navigation des avions difficiles. Il est par ailleurs dangereux de faire le plein de kérosène lorsque de l activité orageuse est observée à proximité de l aéroport. D autres secteurs d activité comme les centrales électriques, les chemins de fer ou les compagnies d assurance souhaitent aussi bénéficier d informations précises. Il est donc important de pouvoir déterminer précisément l activité orageuse. Il existe deux types d'éclairs : les intra-nuages et les coups de foudre. Les intra-nuages se produisent dans l'atmosphère au sein du nuage, entre deux nuages ou encore entre un nuage et l'air. Les coups de foudre sont quant à eux les éclairs qui touchent le sol. Le coup de foudre est le plus souvent initié par un traceur descendant qui progresse du nuage vers le sol. Lorsque le traceur atteint le sol, une décharge appelée arc en retour, se produit. Cette décharge n'est rien d'autre qu'un courant électrique de forte intensité et très lumineux qui se propage entre le sol et le nuage d'orage (le cumulonimbus). Cette première décharge peut être suivie de décharges subséquentes. Un même éclair est donc constitué d'un ou plusieurs arcs en retour successifs. Le canal entre le nuage et le sol s'illumine plusieurs fois donnant à l'éclair un caractère scintillant. En raison de la persistance rétinienne, l'oeil humain n'est cependant pas capable de bien distinguer les différents arcs en retour. La Figure 1 montre, de manière schématisée, les différentes sortes d éclairs. Figure 1: Présentation des différentes sortes de décharges électriques qui peuvent se produire lors d un orage. Chaque éclair émet un rayonnement électromagnétique dans une large gamme de fréquence allant de très basses fréquences (1 Hz) jusqu à de très hautes fréquences (300 MHz) Une partie du rayonnement est également émise dans la partie optique du spectre ( Hz) ce qui permet de voir les éclairs. Les informations que nous recueillons dépendent de la fréquence f et de la longueur d onde λ auxquelles nous effectuons les observations (f=c/λ, où c est la vitesse de la lumière). Lorsqu un signal est émis à 300 MHz, la longueur d onde est d environ 1 mètre et donc beaucoup plus petite que la longueur du canal de l éclair. Nous pouvons donc, en principe, observer le canal entier d une décharge

2 au sol ou intra-nuage, car chaque segment de ce canal émet du rayonnement. Lorsqu un éclair atteint le sol une puissante impulsion supplémentaire se produit aux alentours de 10 khz. C est la présence de cette impulsion qui nous permet de faire la distinction entre une décharge au sol et une intra-nuage. La Figure 2 montre les variations du champ électrique mesuré au sol (V /m) en fonction du temps, lors d un coup de foudre composé de 4 décharges (càd 4 arcs en retour). Les 4 décharges sont clairement reconnaissables comme étant les 4 pics négatifs dans le champ électrique. Figure 2: Les variations du champ électrique (V /m) en fonction du temps lors d un flash composé de 4 strokes. II. La localisation des décharges L IRM utilise plusieurs senseurs répartis sur le territoire belge afin de déterminer l emplacement des décharges. L image ci-dessous montre un exemple de ces senseurs. Mais comment cela fonctionne-t-il? Figure 3: Un senseur se compose d une antenne reliée à des dipôles (1) et d une autre antenne capacitive (2). Le senseur combine une antenne composée de dipôles (1) et une antenne capacitive (2). Les dipôles mesurent les hautes fréquences (entre MHz) et l antenne capacitive mesure les basses fréquences produites par les décharges au sol (entre 300 Hz et 3 MHz). En plus de ceci, le temps d arrivée de chaque rayonnement observé est très précisément enregistré. La localisation des décharges intra-nuages se fait sur base des informations récoltées par les dipôles. Chaque

3 dipôle mesure la même impulsion électromagnétique émise par l éclair mais, chacun, à un moment différent. On observe alors une différence de phase entre les dipôles qui dépend de la direction vers laquelle l impulsion est émise. Un deuxième ensemble de dipôles d un autre senseur peut à son tour déterminer une direction. L endroit où ces deux directions se croisent, donne la position de la décharge intra-nuage. Ce système est représenté schématiquement à la figure 4 sur laquelle une erreur possible de direction a été indiquée. Plus l erreur est grande, plus la superficie dans laquelle la décharge pourrait s être produite sera grande et plus l endroit exact de la décharge sera incertain. Figure 4: Détermination de la position du rayonnement émis en utilisant 2 senseurs. Les points noirs représentent l emplacement des senseurs en Belgique. Le point rose représente l endroit où la décharge s est produite. Afin de déterminer l emplacement d une décharge au sol, celle qui produit cette impulsion caractéristique d environ 10 khz, l IRM fait appel à deux méthodes différentes. Avec la première méthode, au moment où l antenne capacitive reçoit une impulsion résultante d un impact de foudre, celui-ci est affecté au même endroit que le dernier segment observé du canal de l éclair dans les très hautes fréquences.nous l avons déjà dit précédemment, l heure à laquelle une impulsion est reçue par un senseur est précisément enregistrée. La deuxième méthode utilise la différence d heure d arrivée de l impulsion, enregistrée par les différents senseurs, et qui résulte en une hyperbole imaginaire. Chaque point de l hyperbole symbolise une position probable de l éclair, pour laquelle la différence de temps d'arrivée correspond à la différence de temps réelle enregistrée par les senseurs. Les autres senseurs fournissent aussi un point d intersection supplémentaire. Ce système de détection est schématisé à la Figure 5. Il est parfois possible que 3 senseurs ne soient pas suffisants pour générer une solution sans équivoque. Un quatrième senseur sera alors nécessaire afin de déterminer quelle intersection désigne la position réelle de l impact.

4 Figure 5: A gauche : Exemple de détermination d impact à l aide de 3 senseurs. A droite : Exemple dans lequel 3 senseurs donnent 2 intersections. Un quatrième senseur est alors nécessaire pour déterminer laquelle des deux intersections donne la position réelle de l impact. III. Quelle est la précision du système de détection de la foudre de l'irm? En août 2011, l IRM a réalisé une série d observations de l activité électrique des orages en Belgique. A l aide d une caméra à haute vitesse reliée à un instrument de mesure de la variation du champ électrique, nous avons pu filmer des éclairs. L analyse de ces données nous a permis d évaluer le fonctionnement et la précision du réseau de détection de la foudre de l IRM. La caméra enregistre 200 images par seconde, l équivalent d une exposition de 5 millisecondes par prise. Grâce à cela, il est possible d identifier chaque décharge d un même éclair. Nous avons enregistré 57 éclairs de qualité suffisante, avec un total de 210 décharges, durant 3 épisodes orageux (les 22, 23 et 26 août 2011). Une collaboration étroite avec les prévisionnistes de l IRM est indispensable à ces expériences. Grâce à eux, nous avons pu placer le matériel nécessaire au bon endroit et à temps pour assister aux orages. La Figure 6 montre le type d installation utilisée. On peut voir sur la photo la caméra à haute vitesse (1), un instrument qui mesure le champ électrique (2), un générateur d électricité (3) et un GPS (4). Tous ces appareils sont reliés à un ordinateur qui se trouve dans la voiture, afin de pouvoir directement enregistrer les données. A l aide de ces observations, nous pouvons alors vérifier si notre système de détection a enregistré ces décharges au sol et si le temps d observation est correct. Durant la campagne d observation, le système de détection de la foudre de l IRM a enregistré 95% des 57 éclairs et 70% des décharges! On détermine la précision de la localisation par le biais des éclairs pendant lesquels chaque décharge individuelle réemprunte le même canal. Ces décharges ont donc le même point de contact avec le sol. La dispersion des localisations calculées par le réseau nous donne une idée de la précision relative du système. Pour l instant cette précision est de 1 à 2 km. Figure 6: Installation des instruments d observation. Dans les mois et années qui viennent, nous serons en mesure d augmenter cette précision en améliorant les senseurs et en poursuivant nos recherches. IV. L'activité électrique entre 2001 et 2011 en Belgique L enregistrement des décharges au sol sur une longue période donne une idée de la répartition et de l intensité de l activité électrique pour un endroit donné. La Figure 7 (à gauche) montre le nombre d'éclairs et de décharges enregistrés par an en Belgique entre 2001 et On remarque que le nombre de coups au sol enregistrés varie d'une année à l'autre mais on ne peut pas en dégager une tendance claire. En moyenne, on peut dire qu'approximativement un éclair au sol par km² et par an est détecté sur notre territoire. Une carte de densité de la

5 moyenne des éclairs pour la période nous montre que la répartition des décharges n est pas homogène. On y voit des régions où la densité est un peu plus élevée avec un maximum de 2.4 flashes par km² par an. La répartition géographique de la densité observée est-elle fidèle à la réalité? La question reste posée. La position des senseurs pourrait expliquer pourquoi le système détecte plus d'impacts dans le centre du pays. Ceci fera l objet de nos prochaines recherches. Figure 7: A gauche : Le nombre d'éclairs et de décharges observés par an. A droite : une carte de densité moyenne pour la période du nombre d'éclairs/km²/an.