Quoi de mieux qu'une bonne douche ? Une bonne douche sous la couette (atta, atta, tu vas comprendre) ! Et quoi de mieux qu'une bonne douche sous la couette ? Une bonne douche avec des éclairs, du tonnerre, des trucs qui grondent, qui raclent, qui roulent : un peu comme si tu avais rempli ton lave-linge avec des galets ! Un bel orage, quoi ! Un truc qui pète, qui flashe, qu'on y voit comme en plein jour et qu'on s'entend pas ronfler (si tant est qu'on y arrive...) !
Bref, un orage de type "orajdukunzoute", l'orage qui est à l'intempérie ce que l'éruption du Mont Ste Hélène est au terrassement : un truc inoubliable (oui, il y a aussi des trucs à dire sur les volcans mais c'est pas le jour).
Bref, voici un petit billet sur le nuage, le vrai, le bon gros cumulonimbus en forme d'enclume (et pas son cousin geek-trendy, le cloud).
Mais, tu vas me dire, c'est quoi un orage (si, si, tu te poses la question) ? Par exemple, on pourrait dire ça à nos enfants si on est pris au dépourvu (mais qu'on ne veut pas perdre la face) :
"Papa/Maman, j'arrive pas à dormir : il y a le voisin du dessus qui joue du piano sur son tapis.
- Mon chéri, on est à la campagne, il n'y a pas de voisin au-dessus : c'est la pluie sur le toit de la maison.
- Pourquoi il pleut ? (ndla : et c'est parti pour le jeu des pourquois !)
- Parce que des nuages sont arrivés remplis d'eau et se sont rentrés dedans, alors ils se sont cassés et l'eau est tombée par terre.
- Mais pourquoi ils se cognent ?
- Et bien ils prennent tous la même route en même temps alors dans les embouteillages, parfois, ils ne font pas attention. C'est comme quand on part en vacances en voiture.
- Ah oui, comme quand vous râlez dans la voiture. Et pourquoi ça fait du vacarme ?
- Quand ils se cognent, ça fait des accidents alors ça fait du bruit. Beaucoup de bruit parce qu'ils sont énoooormes !
- Et pourquoi ils allument la lumière dehors ?
- C'est à cause des autres nuages autour qui prennent des photos, de ceux que ça réveille et qui allument la lumière dans leur chambre. Et puis surtout des étincelles que ça fait quand il y a des accidents.
- Ils vont nous tomber sur la tête, les nuages ?
- Oh non, pas d'inquiétude ! Ils ne tombent jamais, c'est comme nous, on reste toujours les pieds par terre, pour ne pas se gêner avec les nuages, sinon ça serait la pagaille ! Allez, au dodo sous la couette !"
Charmante tranche de vie... Et comme il ne faut pas mentir aux enfants, je me suis dit qu'il fallait en savoir plus sur tout ça. Alors reprenons tout ça depuis la fin et remontons le fil.
Mensonge #1 : les nuages prennent des photos de leurs copains en rade (et les voisins allument la lumière)
Le flash que l'on voit est le résultat de l'éclair : un éclair est un arc électrique et est quelque chose de très lumineux qui se propage très vite. Un autre moment où on voit (et utilise) un arc électrique, c'est quand on fait de la soudure : il se crée entre la pièce en métal à souder et l'outil de soudure. On se protège les yeux de la luminosité de l'arc avec des lunettes ou un masque (qui protège en plus des projections éventuelles de métal en fusion (oui, oui, je vous parle pas de l'arc de Yakari, là, ça rigole pas)), un masque, donc, sacrément épais (on a tous essayé d'y voir qqch sans souder et il y fait noir comme dans un four).
Au moment de l'éclair, l'air se comporte comme le filament d'une ampoule : juste avant que l'éclair n'arrive, la différence de potentiel (tiens, c'est quoi "la différence de potentiel" ? Bon, rapidement alors. Dis-toi qu'en gros, un potentiel, c'est l'autre nom d'une charge et qu'il y a différence de potentiel quand les polarités (positive ou négative, les p'tits signes "+" et "-" sur les piles) entre deux endroits sont différentes : on a du "+" d'un côté et du "-" de l'autre (le "+" et le "-" s'attirent entre eux et les polarités de même signe se repoussent). Jusque là, ok. Bon, et bien quand les "+" sont très nombreux d'un côté et les "-" très nombreux de l'autre, on a une grosse différence de potentiel. Cette différence se mesure en volts (symbole V), les volts que tu connais (les prises en 220 V, les grosses piles carrées en 9 V (qui piquent la langue), la clôture de Jurassic Park en 10.000 V, etc...). En gros, hein ? Voilà.), la différence de potentiel, donc, est telle (de l'ordre du million de volts, beaucoup de "+" et de "-" se sont agglutinés pour des raisons qu'on verra ensuite), qu'elle parvient à faire passer du courant entre ses deux extrémités (côté nuage et côté sol) à travers un "conducteur".
Alors tu te dis "ça veut dire quoi faire passer du courant ? Concrètement, pourquoi je vois de la lumière ?" et tu as bien raison. Je dis que l'air se comporte comme un filament d'ampoule qui lui, est en métal (en tungstène, symbole W (sombre histoire ça aussi)), et donc a des propriétés différentes qui fait qu'on le préfère pour faire des ampoules que l'air ambiant. Une de ses caractéristiques, en tant que métal, c'est que le courant passe bien à travers lui. "Oui, mais ça veut dire quoi ?". Attends, je te dis. Ça veut dire que les électrons (des petites boules qui trimballent de l'électricité pour schématiser), qui tournent autour des atomes du métal, passent facilement d'un atome à un autre si on les énerve juste un peu. En passant d'un atome à un autre, ça libère de l'énergie qui se matérialise en... puis en... à cause de... pour finalement faire du... et ça fait de la lumière visible ! Et pour passer d'un atome à un autre, il faut les énerver, donc. Il faut leur dire "Hé, t'es p'têtre bien là où tu es mais tu serais mieux à côté ! Je t'assure, viens ! Allez, viens ici !" Et à force de dire "Laisse-moi tranquille", l'électron finit par se laisser convaincre et bouge. Lui et beaucoup d'autres à la suite, sur les autres atomes, de proche en proche. S'il y a beaucoup de monde pour les énerver d'un côté et beaucoup de monde pour leur dire que c'est mieux ici de l'autre (a.k.a. "grosse différence de potentiel", ayé, on raccroche les wagons), beaucoup d'électrons vont bouger donc faire beaucoup de lumière.
Ca, ça marche bien avec du métal : les électrons y sont assez perméables à l'argumentaire "l'herbe est plus verte à côté" : on dit que le métal est un bon conducteur. Pour l'air, lui, et les électrons qui sont autour des atomes qui le constituent, c'est une autre histoire : c'est un peu des têtes de pioche et pour les convaincre de bouger, faut donner de sa personne : l'air est un bon isolant. Il faut donc une sacrée différence de potentiel pour que l'électricité traverse l'air : c'est plutôt rassurant, tu noteras, car si on devait avoir un arc électrique à travers la pièce chaque fois qu'on pose 2 piles l'une à côté de l'autre, ça serait carnaval tous les jours !
Bref, il faut une sacrée différence de potentiel pour que l'électricité passe dans l'air et crée un arc, c'est à dire les quelques millions de volts dont je parlais plus haut.
Maintenant, pourquoi ça ne tient pas alors que pour l'ampoule, la lumière reste ? L'arc de l'éclair n'a pas vocation à rester immobile comme le ferait le filament d'une ampoule pour des raisons d'instabilité.
Pour l'ampoule, ceux qui matraquent "l'herbe est plus verte à côté" ne s'arrêtent jamais de parler : même si l'électron bouge, ça ne les satisfait pas, ils en veulent encore et encore qui bougent, toujours plus. Ils ne trouvent pas leur équilibre intérieur dans le fait qu'un seul électron dise "Bon, d'accord, je bouge." En gros, il y a toujours quelque chose qui leur manque et ce manque est alimenté par le fait qu'on branche l'ampoule à la prise électrique : on lui fournit une différence de potentiel inépuisable (il y a la centrale EDF à l'autre bout) et donc impossibilité de revenir à une situation où ces types se taisent et donc les électrons bougent. Et donc on a de la lumière jusqu'à ce qu'on débranche la prise.
Pour l'éclair, c'est différent. La différence de potentiel existe (entre la base du nuage et le sol) et comme la Nature n'aspire qu'à l'équilibre, le fait de faire passer du courant entre un point A (nuage) et un point B (sol) met justement ces deux points au même niveau de charge et de polarité et donc l'éclair ne peut plus exister. Tout ça se fait très vite, l'éclair disparaît ainsi que la lumière qu'il a créée (d'où le flash).
Mensonge #2 : le bruit (le tonnerre) provient du choc des nuages les uns contre les autres
Je me souviens, à partir de l'analogie qu'on peut faire entre un nuage et du coton, avoir tenté de voir le bruit que faisaient deux disques de coton Demak'up quand ils s'entre-choquaient pour vérifier : oui, j'ai été déçu !
L'éclair, donc, se propage : il va du nuage vers le sol (verticalement) ou parfois d'un nuage à un autre (en oblique ou horizontalement). Il se propage très vite (sachez que la fameuse "vitesse de l'éclair" est de 40 000 km/s environ soit un peu plus du dixième de la vitesse de la lumière) et surtout, l'éclair chauffe beaucoup. On estime que le canal de l'éclair chauffe l'air qu'il traverse à 30 000 degrés Celsius (°C). On a donc, pendant un orage, des particules d'air, tranquilles, qui comptent les gouttent qui les traversent et qui sont à environ 10-15 °C (à la lou... mmmm, au doigt mouillé (ah ah ah !)) et tout d'un coup, un courant les traverse et les propulse à 30 000 °C en un quart de seconde !
Bon, mais que se passe-t-il ensuite ? Alors l'air chauffe...
... et quand il chauffe, il se dilate...
... et quand il se dilate, il veut prendre plus de place (PV = nRT, bla bla bla)...
... et pour prendre plus de place, cet air qui est dans le canal de l'éclair (quelques cm de large) va s'éloigner du dit-canal de l'éclair...
... et comme on l'a fait chauffer très très vite, il part à toute vitesse (un peu comme Usain Bolt après le coup de feu de départ au 100 m. Usain Bolt... vous saisissez l'allusion subtile ? "Bolt", "lightning bolt" ! La foudre quoi !). Bref, l'air se précipite et s'écarte de l'éclair...
... et en faisant ça, il pousse les autres particules d'air qui continuaient de compter les gouttes à quelques centimètres du canal de l'éclair et qui n'ont pas bougé car leur température n'a pas fondamentalement changé : il les pousse, les bouscule, leur crie "Place ! Place ! Il me faut de l'espââââce ! Poussez-vous !" en gros... C'est un peu la panique si vous voulez...
A que donc, de proche en proche, les particules d'air se compriment (les pressées chauffées à blanc se tassent contre les immobiles à température ambiante le temps que ces dernières réalisent qu'un truc se passe) et se dilatent (réchauffement des particules à température ambiante par leur contact avec celles chauffées à blanc et retour à un équilibre global après le tassement de tout ce petit monde car la Nature n'aime pas les singularités non plus (en gros)). Pour vous représenter ça, imaginez ce que ça donne quand vous poussez l'eau devant vous dans une baignoire/piscine/étendue d'eau calme avec le revers de votre main : une onde (une vague) se crée et s'éloigne de vous. Et bien voilà, dans l'air il se passe la même chose mais on ne le voit pas : une onde se crée. Si on tire une ligne entre l'éclair et toi, la pression de l'air tout au long de cette ligne n'est pas uniforme : si on la représente, elle donne ça :
Et alors là, la magie du monde réel intervient. Si je te montre ça, à part me dire que je me suis pas foulé parce que je te ressers le schéma du dessus, ça t'évoque quoi ?
Un son ! Un bruit ! Et bien le voilà, le bruit du tonnerre ! Je t'explique.
Le bruit, il est dans notre tête (celui-ci et beaucoup d'autres chez certains) : il s'agit de l'interprétation par notre oreille (le tympan plus précisément) et notre cerveau d'une variation de pression. Variation de pression qui existe, comme on l'a vu, du fait de la cohue de particules d'air décrite au-dessus. Ce qu'on entend, le coup de tonnerre, est donc le bruit de l'air qui chauffe et se dilate très vite après le passage de l'éclair ! Simple, non ?
Pour illustration, un haut-parleur crée cette pression aussi en oscillant : il comprime ou détend l'air devant lui en se déplaçant à une fréquence donnée pour vous permettre d'écouter le dernier album de Mozart.
Et attends, encore mieux, on peut raffiner : "Pourquoi on n'entend pas un <Bang> bien sec mais plutôt un son un peu long parfois ?"
Ah ah ! Bonne question ! Cela vient de la taille de l'éclair et de son point de départ : il part du nuage, situé à environ 10 km du sol et foudroie un truc par terre. Et comme rien n'est instantané dans ce bas monde (à part le Nesquick et le mal au crâne quand on écoute Justin Bieber (oui, vous lisez aussi un blog qui prend position)), et bien l'air chauffé en haut, au tout début de l'éclair, va se dilater avant celui situé en bas, près du sol, qui ne voit arriver l'éclair qu'après : on entend donc d'abord le bruit de l'émeute provoquée juste en dessous de la base du nuage qui se poursuit jusqu'au bruit de la dilatation violente de l'air situé près du sol. Tada !
Et au fait, on pourrait croire d'après le schéma ci-dessus que si on entend un "roulement" long plutôt qu'un "bang !" bien sec, c'est que la foudre n'est pas tombée loin. Pas que : il faut aussi considérer le fait que le son se réverbère sur les montagnes et autre relief autour de soi, ce qui fait qu'on peut croire entendre un truc qui dure là où on n'entend que l'écho du bruit de l'éclair.
Mensonge #3 : les nuages se cognent et ça fait des étincelles
Si on reprend nos bouts de coton, là, ça peut marcher. Et pour des raisons proches. Mais on galère un peu.
En fait, on l'a vu plus haut, les nuages ne font pas des étincelles : il en sort des éclairs, des grands trucs lumineux très brefs et qui partent dans tous les directions. On n'est pas loin des étincelles mais ça n'en est pas. Histoire d'aller plus loin, car on a vu ce qu'était un éclair, ce que tu peux te dire, c'est "Pourquoi y a-t-il de l'électricité dans un nuage ?".
Tout ça, c'est une histoire de masses d'air froid, d'air chaud et de petites particules qui se font balader au milieu.
En gros, ce qu'il faut comprendre, c'est que le nuage est chargé électriquement : le "+" au sommet, le "-" à sa base. Et comme la base du nuage fait face au sol et que les charges de signe opposées s'attirent, le sol se charge en "+".
Pour expliquer ça, une fois n'est pas coutume, je prends la plume de quelqu'un d'autre (ça sert à rien de réinventer la roue) :
"Les nuages d'orage sont des cumulonimbus, gros nuages en forme de hautes tours ou d'enclume, dont la base se situe aux environs de 1000 m d'altitude, et dont le sommet se situe aux environs de 10.000 m. Ils sont composés à la fois d'eau (au-dessous de l'isotherme 0 °C) et de glace. Ils se forment souvent à la fin d'une journée d'été lorsque de l'air chaud et humide s'élève dans l'atmosphère. Cet air, au fur et à mesure qu'il s'élève, se refroidit et se condense en donnant des gouttelettes d'eau, puis de la glace. Les nuages d'orage peuvent aussi résulter de la rencontre de deux masses d'air de températures et degrés hygrométriques différents.
Lors des orages, le cumulonimbus est fortement chargé électriquement. Globalement, le sommet du nuage est chargé positivement alors que sa base est négative. Le mécanisme de séparation des charges dans le nuage n'est pas parfaitement compris.
[...]
Quelle que soit l'explication réelle, même si le phénomène est complexe et mal compris, il aboutit a une séparation de charges : la charge du sommet du nuage, composé essentiellement de légers cristaux de glace, est globalement positive, alors que celle de la base du nuage, composée de gouttes d'eau plus lourdes que la glace au-dessus, est globalement négative.
La partie du nuage qui se trouve en regard de la Terre étant chargée négativement, le sol se charge positivement par influence."
"Les nuages d'orage sont des cumulonimbus, gros nuages en forme de hautes tours ou d'enclume, dont la base se situe aux environs de 1000 m d'altitude, et dont le sommet se situe aux environs de 10.000 m. Ils sont composés à la fois d'eau (au-dessous de l'isotherme 0 °C) et de glace. Ils se forment souvent à la fin d'une journée d'été lorsque de l'air chaud et humide s'élève dans l'atmosphère. Cet air, au fur et à mesure qu'il s'élève, se refroidit et se condense en donnant des gouttelettes d'eau, puis de la glace. Les nuages d'orage peuvent aussi résulter de la rencontre de deux masses d'air de températures et degrés hygrométriques différents.
Lors des orages, le cumulonimbus est fortement chargé électriquement. Globalement, le sommet du nuage est chargé positivement alors que sa base est négative. Le mécanisme de séparation des charges dans le nuage n'est pas parfaitement compris.
[...]
Quelle que soit l'explication réelle, même si le phénomène est complexe et mal compris, il aboutit a une séparation de charges : la charge du sommet du nuage, composé essentiellement de légers cristaux de glace, est globalement positive, alors que celle de la base du nuage, composée de gouttes d'eau plus lourdes que la glace au-dessus, est globalement négative.
La partie du nuage qui se trouve en regard de la Terre étant chargée négativement, le sol se charge positivement par influence."
Sur le phénomène de "séparation des charges" évoqué (les "+" vont en haut et y restent, les "-" vont en bas et y restent aussi) et sur lequel on est incertain, ça marche(rait) en gros comme ça :
- l'air chaud dans le nuage monte car il est plus léger que l'air froid (principe de la montgolfière : si tu comprends pas je t'expliquerai)...
... et en montant il se refroidit car il fait plus froid en altitude...
... et donc l'humidité qu'il contient se transforme en cristaux de glace car la température passe en-dessous de 0°C...
... et l'air refroidi redescend vers le bas...
... emmenant avec lui les cristaux de glace qui se transforment en gouttes d'eau...
... qui rehumidifient de l'air chaud qui remonte...
... et cætera...
... et cætera.
Bref, toutes ces particules plus ou moins grosses s'entrechoquent, se frottent les unes avec les autres et génèrent ce qu'on appelle cette "séparation des charges électriques" : les particules fines, légères, chargées positivement (glace) vont vers le haut et les particules plus lourdes, chargées négativement (gouttes) vont vers le bas. Et voilà donc notre nuage chargé ! Une grosse pile, quoi.
Il peut donc envoyer des éclairs entre les charges négatives de sa base et les positives du sol car ces chargent s'attirent et veulent se rejoindre : pour ça, elles mettent en marche la machine à convaincre et lobotomisent les électrons de l'air comme on l'a vu pour que le courant passe.
On comprend aussi comment il peut y avoir des éclairs entre les nuages (à l'horizontale) entre les charges positives d'un nuages et les négatives d'un autre. Tout ceci est un joyeux bordel avec une finalité propre à la nature (et à la Suisse) : la neu-tra-li-té (des charges électriques). L'équilibre, quoi.
Voilà, tu es maintenant incollable sur les orages ! Ah non, on a oublié un truc ! Le truc fondamental : le calcul de la distance entre nous et l'éclair ! Tu sais, quand tu comptes à partir du moment où tu vois le flash ("1... 2... 3... 4 secondes...") et que tu t'arrêtes quand tu entends le bruit du tonnerre ("... 5... 6... <brouuum !> 6 secondes !") et que tu sais plus très bien quoi faire de ce chiffre pour connaître la distance ("euh... 6 kilomètres ? C'est ça, hein, ça vient de péter à 6 km d'ici ?") !
Bon alors, reprenons.
Le son, on l'a vu, est une onde matérialisée dans le monde réel par la compression/décompression de l'air et dont l'interprétation par notre cerveau (via notre oreille qui transmet l'info) est un bruit. Et bien c'est la même chose avec la lumière : la lumière est une onde qui se propage et l'interprétation qu'en fait notre cerveau (via nos yeux) et une image. La seule différence avec la lumière, c'est qu'elle se propage aussi dans le vide (pas d'air, rien, comme dans l'espace) alors que le son, non : on voit les supernovæ mais on ne les entend pas exploser par exemple (quoiqu'avec la découvertes des ondes gravitationnelles, ceci est désormais possible mais ça sera l'objet d'un autre article).
Mais sur Terre, les deux se propagent. Mais à des vitesses différentes. Et c'est là que se situe le truc !
La lumière se déplace à (environ) 300 000 km/s. C'est rapide. C'est même très rapide, on ne connaît pas plus rapide en fait. 300 000 km/s, ça veut dire que le temps que ta trotteuse de montre bouge, le type devant toi peut partir tout d'un coup à la vitesse de la lumière a fait plus de 6 fois le tour de la Terre et se tient maintenant devant toi (sauf que maintenant, il peut te dire ce qu'il pense de la Grande Muraille de Chine qu'il vient de voir 6 fois alors que ça n'était pas le cas il y a deux secondes).
Bref, tout ça pour dire que quand un éclair fend le ciel (on fait aussi un peu de poésie), la lumière qu'il génère éclaire les alentours immédiatement. Même qqn qui est à 5, 6, 10 km verra la lumière instantanément. Ca, c'est bon.
Ensuite le son. Le son, lui, se déplace moins vite que la lumière : il fait du 340 m/s environ, c'est à dire près d'un million de fois moins rapide que la lumière (il file quand même à plus de 1200 km/h mais je t'ai dit, la lumière va très vite).
Et comme le son se déplace moins vite, celui qui est généré par l'éclair au point zéro nous parviendra après un certain temps : car après 1 seconde, le son ne sera audible que par ceux situé à 340 mètres ou moins de l'éclair. Après 2 secondes, c'est tous ceux situés à 680 m (2 x 340) ou moins qui l'auront entendu. Et après 3 secondes, tous les gens situés dans un rayon de 1020 m (3 x 340) ou bien, en arrondissant, 1 km, auront entendu le tonnerre. Vous me voyez arriver, là ? Mmmmm ? 3 secondes pour 1 km ? Tous ces gens auront vu la lumière instantanément, compté jusqu'à 3 et entendu à ce moment un gros coup de tonnerre. Vu qu'on sait qu'ils sont à 1 km du point zéro (ceux qui ont compté jusqu'à 3), on peut donc dire : il faut diviser le temps en secondes entre le flash et le bruit par 3 pour avoir la distance en km entre soi et l'orage !
Tada !
Bref, voilà, les orages n'auront plus de secret pour toi et tu pourras étaler ta science le prochain 15 août !
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