Il y a bien plus d’énergie dans un éclair qu’on ne le pensait

Pendant la majeure partie de l’histoire de l’humanité, les gens ont été terrifiés par la foudre. Éclairs effrayants venant du ciel, les éclairs étaient un outil des dieux pour châtier les mortels pour leur orgueil démesuré (ou leur penchant malheureux à se mettre à l’abri des orages sous les arbres).

La découverte et la mise en œuvre du paratonnerre de Benjamin Franklin a permis de dompter cette arme divine autrefois redoutable. Néanmoins, la force de la foudre est toujours présente dans notre imagination. Hollywood la considère comme suffisamment puissante pour permettre à des voitures étrangement conçues au début des années 1980 de briser le continuum espace-temps.

Dans le monde des bandes dessinées, elle est un ingrédient de la formule permettant de développer des superpouvoirs. On lui a également donné le pouvoir de rendre la vie aux morts, mais pas toujours avec l’effet escompté.

Quelle quantité d’énergie contient réellement un éclair ? On pourrait penser que cette question aurait déjà dû trouver une réponse définitive, mais il s’avère difficile d’y répondre de manière quantitative.

Dans le cadre de mes recherches, nous avons abordé cette question d’une nouvelle manière : Nous avons déduit la taille d’un éclair en nous basant sur la taille des roches formées par la foudre.

Des estimations approximatives

La foudre est évidemment puissante : il suffit de regarder un arbre qu’elle a fendu en son centre pour s’en convaincre. La foudre génère des températures plus chaudes que la surface du soleil, dépassant les 20 000 degrés Celsius, une température qui n’est autrement pas rapportable à l’expérience humaine.

Cette mesure de la température fournit un moyen d’estimer l’énergie de la foudre. Il faut une certaine quantité d’énergie pour chauffer l’air à une température élevée.

En mesurant la longueur d’un éclair, en la multipliant par l’énergie par longueur nécessaire pour chauffer l’air à des dizaines de milliers de degrés, on peut calculer l’énergie de la foudre.

On peut également aborder la mesure de l’énergie de la foudre en considérant la tension d’un coup de foudre.

Un volt est une mesure de la quantité d’énergie libérée lorsque chaque paquet d’électrons passe d’un côté d’un objet à l’autre – par exemple, une batterie.

Lorsque la foudre frappe, nous pouvons déterminer la tension qu’elle induit sur les lignes électriques à proximité ; les mesures vont de centaines de milliers à des millions de volts.

La loi d’Ohm nous permet de calculer la puissance de la foudre en la multipliant par le nombre d’électrons qui se déplacent pendant le choc, une valeur appelée courant. Si l’on connaît la durée de ce coup de foudre, on peut alors calculer l’énergie.

Ces méthodes comportent un grand nombre d’erreurs : ne pas calculer correctement la longueur du coup de foudre, se tromper dans la quantité de gaz chauffé par longueur, ou dans la température, ou la tension, ou le nombre d’électrons – tout cela donne des erreurs assez importantes pour ces calculs.

Existe-t-il une autre méthode de calcul de l’énergie de la foudre qui permettrait de réduire certaines de ces erreurs ? La géologie unique de la Floride a fourni une voie intéressante pour répondre à cette question.

Des éclairs fossilisés

La Floride a tendance à être un état assez ennuyeux pour un passionné de roche. Il y a du sable, et il y a du calcaire. Pas grand-chose d’autre, et tout cela est jeune, géologiquement parlant.

Parfois le sable est au-dessus du calcaire, parfois il est sur le côté. Parfois le sable a été déposé il y a 15 millions d’années, parfois il y a 5 millions d’années. Il y a beaucoup de sable.

Le climat de la Floride est un peu plus intéressant ; c’est en fait l’État américain le plus souvent frappé par la foudre.

La plupart du temps, la foudre frappe le sable qui recouvre l’État. Elle crée alors un nouveau type de roche, appelé fulgurite, un tube creux qui se forme lorsque la foudre traverse le sable, le vaporise et fait fondre ses bords extérieurs.

Lorsque le sable se refroidit, ce qui se produit rapidement, le tube creux se fige en verre, enregistrant le chemin parcouru par la foudre. Par définition, une fulgurite est une roche métamorphique, transformée par la chaleur et la pression, du sable en quelque chose de nouveau.

Les fulgurites sont généralement rares, sauf si vous savez où chercher. Le centre de la Floride péninsulaire abrite plusieurs mines de sable qui fournissent la matière première des routes et du ciment, des terrains de golf et des aires de jeux.

Sur un site, nous avons collecté plusieurs centaines de fulgurites ; plus de 250 gisaient sur le terrain, et beaucoup d’autres ont été trouvées dans des tas de déblais, filtrées du sable avant d’être chargées sur des camions.

Ces sites ne sont pas vraiment différents des autres sites de Floride – ils ne sont pas une sorte d’aimant à foudre – mais le contexte géologique était idéal pour les garder longtemps.

Ces mines de sable contiennent probablement environ un million d’années de fulgurites. Elles sont faciles à trouver – le verre n’étant pas un élément que l’on souhaite retrouver dans le sable commercial, la mine les filtre.

L’épaisseur des fulgurites varie de la taille de l’auriculaire d’un bébé à celle d’un bras d’homme.

Les plus épaisses ont dû être formées par des éclairs beaucoup plus énergétiques : une fulgurite plus épaisse signifie que plus de sable a dû être vaporisé. La plupart des fulgurites que nous avons récupérées étaient des fragments courts, bien que les plus longues trouvées mesuraient un mètre ou deux.

Calculs à partir des fulgurites

Il faut une quantité spécifique d’énergie pour vaporiser le sable en gaz. Le sable doit d’abord être chauffé à environ 1700°C, soit à peu près la température de la lave en fusion.

À cette température, le sable fond. Le sable fondu doit ensuite être chauffé jusqu’à un peu moins de 3000°C, température à laquelle il se vaporise. Il faut environ 15 mégajoules d’énergie pour chauffer et vaporiser un kilogramme de sable.

C’est à peu près la quantité d’énergie consommée par un ménage américain moyen en six heures, ou l’énergie cinétique d’une voiture moyenne roulant à 300 miles par heure.

Après avoir mesuré nos fulgurites, nous avons déterminé qu’en moyenne, l’énergie requise pour former ces roches était d’au moins un mégajoule par mètre de fulgurite formé. Nous avons calculé l’énergie par mètre puisque, encore une fois, dans la plupart des cas, les fulgurites que nous avions collectées étaient cassées.

Ainsi, sur la base de nos calculs, à quel point Hollywood s’approche-t-il, avec des estimations comme dans Retour vers le futur, de 1,21 gigawatt de puissance dans la foudre ?

La puissance est l’énergie par rapport au temps, et nos mesures des fulgurites suggèrent que les mégajoules d’énergie font la roche en millièmes ou millionièmes de secondes. La puissance de la foudre peut être mille fois supérieure, atteignant les térawatts, bien que la moyenne soit probablement de quelques dizaines de gigawatts.

C’est assez d’énergie pour alimenter environ un milliard de maisons, même si ce n’est que pendant quelques millionièmes de seconde. Malheureusement, étant donné sa nature sporadique et imprévisible, aucun réseau électrique ne sera jamais en mesure d’exploiter efficacement la foudre.

Mais avec une telle puissance, briser le continuum espace-temps dans une Delorean gonflée n’est peut-être pas si irréalisable après tout…..

Une bizarrerie dans le motif

Lorsque nous avons examiné ces fulgurites en profondeur, les données ont révélé quelque chose d’étrange. Nos mesures d’énergie suivaient une tendance dite “lognormale”.

Au lieu de suivre la courbe en cloche que nous observons souvent dans la distribution des phénomènes naturels – comme, par exemple, la taille des hommes américains – la courbe de l’énergie était moins équilibrée. Pour la taille, le même nombre d’hommes se trouve deux pouces au-dessus de la moyenne et deux pouces en dessous.

Mais pour la foudre, les grands coups de foudre étaient beaucoup plus grands que la moyenne, tandis que les petits coups n’étaient pas tellement plus petits que la moyenne. Les coups qui étaient deux fois plus grands que la moyenne étaient aussi fréquents que ceux qui étaient deux fois moins grands.

En quoi cela peut-il être intéressant ou utile ? Mesurer l’énergie de la foudre est un moyen de mesurer les dommages potentiels : Un coup de foudre peut vaporiser de la roche, alors que pourrait-il faire au bois ou à l’électronique ?

Nos mesures montrent que les plus gros coups de foudre sont des multiples des coups de foudre moyens : Un gros coup peut être 20 fois plus grand que la moyenne.

C’est beaucoup pour un système de protection contre la foudre. L’énergie de pointe calculée à partir de notre méthode basée sur la roche peut donner une idée des dommages maximums auxquels nous pouvons nous attendre, et peut éventuellement permettre une meilleure préparation contre le pire des scénarios.