L

1
Lélectricité dans latmosphère

• Les orages / les éclairs
• Par beau temps la terre est chargée négativement
• Lors de la formation dun orage, elle se charge
  localement de manière positive
• Les orages assurent le maintien du champs
  électrostatique sur terre

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Orages éclairs (thunderstorms)

• Apparaissent lors dun changement brutal
  dhumidité dans lair
• Se caractérisent par de forts mouvements
  ascendants et descendants
• Sont associés à une perte dénergie importante
  dans latmosphère
• Se forment si
• Présence de cellules dair chaud humide proche du
  sol
• Sont induites par les instabilités orographiques
• Par des discontinuités de masses dair (mesoscale
  disontinuity, fig 4.27, 28, 29, 32)

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Relation entre temps de vie et extension
spatiale de divers évènements météo
4
(No Transcript)
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(No Transcript)
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(No Transcript)
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Formation dun orage

• 1ère étape (fig 2.22, sketch A)
• Condensation initiale de la cellule chaude humide
• Formation de micro-goutelette, qui induit une
  perte de chaleur latente
• Augmentation de volume de la parcelle, et perte
  de densité
• Parcelle hors équilibre, avec vverticale3-5m/s à
  la base du nuage, 8-10 dans le nuage, gt30m/s _at_
  2-3000m plus haut
• Perte de chaleur latente, avec TparcellegtgtTenviron
  nant

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(No Transcript)
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Formation dun orage

• 2ème étape (fig 2.22, sketch B)
• Formation du cumulo-nimbus
• Gouttelettes se transforment en cristaux de glace
• Processus de Bergeron-Findeisen
• Humidité relative (air) gtgtsurface de glace, vs
  surface de gouttelette deau
• Un noyau de glace favorise le processus de
  sublimation eau gazeuses gt eau glace.
• Les  micro-cristaux  sont soulevés par les
  courants ascensionnels dans le nuage.
• Frottement entre gouttelettes deau et cristaux
  de glace, avec vverticalegt30m/s, induit
  lélectrisation dipolaire du nuage par arrachage
  délectrons.

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(No Transcript)
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Formation dun orage

• Fin de développement du nuage (fig 2.22, C)
• Dimension du cumulo-nimbus
• ca. 1km de largeur sur les océans
• Jusquà 4-5km en orographie continentale
• Amorce de la pluie
• Resp. environ 15 minute après sa formation sur
  les océans
• Après ½-1hr, en orographie continentale
• La pluie est accompagnée déclairs ou coups de
  foudre

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Initial stage
Mature stage
Dissipating stage
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Formation dun orage Électrisation

• lélectrification des orages
• Etat initial de la terre
• Électrisation du système orage terre par
  transfert de charge non inductive dans le nuage
• Électrisation complémentaire par  explosion  de
  cristaux de glace

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Formation dun orage Électrisation

• Etat initial de la terre
• La ionosphère est un milieu chargé positivement
  (sous laction du Ray UV, et du Ray cosmique)
• La terre est chargée (en moyenne, par beau temps)
  négativement
• La conductibilité de ce système ionosphère/terre
  correspond à un champs électrique de
• ca. 100V/m à basse altitude
• ca. 1000V/m à 25 km

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Formation dun orage Électrisation

• Électrisation du système orage terre par
  transfert de charge non inductive dans le nuage
• Les ions, les gouttelettes deau, les cristaux de
  glace, sont des porteurs de charge dans
  latmosphère.
• Le transfert ions/ gouttelettes/cristaux est à
  lorigine de ce processus (transfert de charge
  non inductive), par frottement de ces aérosols et
  arrachage délectrons.
• La base du nuage se charge négativement ce
  champs électrostatique induit la formation de
  charges positives sur terre, ainsi que dions
  positifs au sommet du nuage

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Formation dun orage Électrisation

• Électrisation complémentaire par  explosion  de
  cristaux de glace
• dans un cristal  super-cooled , le noyau est
  liquide, caractérisé par la présence dions OH-,
  et plus chaud
•  lécorce  est sous forme de glace, chargée
  positivement H, et plus froide.
• Les tensions électrostatiques induites par ces
  charges OH-H, amènent à lexplosion du cristal
• Les micro-cristaux chargés H se soulèvent dans
  les masses dair ascendantes du nuage
• Le cœur (plus lourd, chargé négativement) descend
  dans le nuage (cf fig.2.23)
• Ce processus est assimilable à un transfert de
  charge non inductive au sein du cumulo-nimbus

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(No Transcript)
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Les éclairs

• 1ers éclairs, de la base du nuage au sol
• Le sol est chargé localement de manière positive
  (toit, cimes des arbres, ..)
• Les charges négatives de la base du nuage, sont
  transportées par léclair vers le sol
• Un transfert de charges positives remonte du sol
  vers le nuage, le long du chemin de léclair
  (chemin dair ionisé)
• Ces transferts de charges vont  neutraliser  la
  base du nuage

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Les éclairs

• Les prochains éclairs vont  neutraliser  le
  nuage à mi-hauteur, puis jusquau sommet du
  nuage.
• Les éclairs ont lieu du nuage vers la terre (et
  vice versa), mais aussi
• Entre nuages
• À lintérieur du nuage
• La décharge électrique induit un réchauffement
  local (le long du canal de léclair) qui atteint
  30000degC, avec une vitesse de transfert de
  charge de 100000km/s, pour un courant équivalent
  de 100000A, sur un chemin de 1-2km, avec une
  durée de vie de 0.05ms à 0.2s.
• Doù une onde sonore, le tonnerre, (300m/s)
  induite par la décharge de léclair

20
Les éclairs

• La question de lamorce des décharges ?
• En atmosphère sèche on devrait avoir une
  différence de potentiel de plus de 3.106V/m pour
  amorcer un éclair
• Les observations montrent la présence déclairs
  dès ca. 105V/m
• Doù provient lénergie nécessaire à cette
  amorce?

21
Lamorce de léclairUne théorie en phase RD,
2006

• Seul des électrons accélérés à des vitesses
  proches de celle de la lumière ont une énergie
  suffisante, dans un champs électrostatique de
  105V/m, pour induire léclair.
• Le rayonnement cosmique, formé de particules
  subatomiques, (eg. explosion de supernova)
  bombarde la terre
• leur absorption par lazote et loxygène de
  latmosphère terrestre génère ces électrons de
  très haute énergie, avec production
  complémentaire de rayons X
• Dernier dilemme les particules subatomiques du
  rayonnement cosmique dont lénergie est
  suffisante pour induire un éclair ne touche la
  terre que chaque 50, alors quon dénombre
  1800éclairs sur terre à chaque seconde !
• Les expériences en cours doivent mesurer
  lensemble du spectre électromagnétique (X ray,
  gamma ray, ..) lors dun coup de foudre pour
  comprendre ce processus de formation des éclairs.

22
http//www.meteocom.ch/new/Fr/0_Fr_Divers/00_Entre
eACCUcadre.html ? une selection de situations
météo avec coups de foudre
23
COMPARISON OF THREE LIGHTNING DETECTION SYSTEMS
OPERATING IN SWITZERLAND
Dominique Ruffieux, Jacques Rast, and Thomas
FreiMeteoSwiss, Switzerland ECAM2001,
Budapest ANETZ, BLIDS, and METEORAGE
24
(No Transcript)
25
(No Transcript)
26
Eclairs enregistrés par les systèmes BLIDS (en
haut) et METEORAGE (en bas), 18 août 2000, entre
4 et 6 UTC.
27
Main conclusions of the analysis

• The ANETZ network presents many bad data
  (thresholds/discrimination problems)
• BLIDS (Siemens) and METEORAGE are based on the
  same principle and provide the same level of
  outputs
• The differences between the two systems can
  mainly be explained by different thresholds used
  for each system

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Formation dun orage gt foudre gt gt
Précipitations caractéristiques et types

• Observation Climatologique
• Moyenne annuelle
• Variabilité (dannée en année)
• Évolution (tendance)
• Observation gt Hydrologie
• Caractéristique  instantanée 
• Relations entre types de pluies.

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Caractéristique  instantanée 

• Intensité de pluie
• Définie comme le rapport entre la quantité totale
  et la durée (mm/hr)
• Les plus fortes intensités sont observées lors
  dorages de plus courte durée (cf. fig 2.24, sur
  Washington DC)
• Les records dintensité sur le globe (cf fig.
  2.25)
• Les plus fortes intensités sont caractérisées par
  une augmentation de la taille des gouttelettes
  (mais pas du nombre de gouttelettes)

Intensité de pluie Taille de gouttelettes (diamètre moyen)
1 mm/hr 1 mm
13 mm/hr 2 mm
102 mm/hr 3 mm
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(No Transcript)
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