Chaque éclair émet un rayonnement électromagnétique dans une ...

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Les clairs sous l' il de la cam ra

I. I ntroduction

Depuis 1992, lIRM dispose dun systme de dtection de la foudre qui est capable dobserver lactivit lectrique associe aux orages. A ct de la recherche purement scientifique lie ce systme, les observations des clairs sont aussi utilises par les prvisionnistes dans leur travail de suivi et de prvision des orages. Ces informations sont en outre dune importance capitale pour laviation. En effet, les orages sont associs des masses dair instable qui peuvent rendre la navigation des avions difficiles. Il est par ailleurs dangereux de faire le plein de krosne lorsque de lactivit orageuse est observe proximit de laroport. Dautres secteurs dactivit comme les centrales lectriques, les chemins de fer ou les compagnies dassurance souhaitent aussi bnficier dinformations prcises. Il est donc important de pouvoir dterminer prcisment lactivit orageuse.

Il existe deux types d'clairs : les intra-nuages et les coups de foudre. Les intra-nuages se produisent dans l'atmosphre au sein du nuage, entre deux nuages ou encore entre un nuage et l'air. Les coups de foudre sont quant eux les clairs qui touchent le sol.

Le coup de foudre est le plus souvent initi par un traceur descendant qui progresse du nuage vers le sol. Lorsque le traceur atteint le sol, une dcharge appele arc en retour, se produit. Cette dcharge n'est rien d'autre qu'un courant lectrique de forte intensit et trs lumineux qui se propage entre le sol et le nuage d'orage (le cumulonimbus). Cette premire dcharge peut tre suivie de dcharges subsquentes. Un mme clair est donc constitu d'un ou plusieurs arcs en retour successifs. Le canal entre le nuage et le sol s'illumine plusieurs fois donnant l'clair un caractre scintillant. En raison de la persistance rtinienne, l'oeil humain n'est cependant pas capable de bien distinguer les diffrents arcs en retour. La Figure 1 montre, de manire schmatise, les diffrentes sortes dclairs.

Figure 1: Prsentation des diffrentes sortes de dcharges lectriques qui peuvent se produire lors dun orage.

Chaque clair met un rayonnement lectromagntique dans une large gamme de frquence allant de trs basses frquences (1 Hz) jusqu de trs hautes frquences (300 MHz) Une partie du rayonnement est galement mise dans la partie optique du spectre (1014 1015 Hz) ce qui permet de voir les clairs.

Les informations que nous recueillons dpendent de la frquence f et de la longueur donde auxquelles nous effectuons les observations (f=c/, o c est la vitesse de la lumire). Lorsquun signal est mis 300 MHz, la longueur donde est denviron 1 mtre et donc beaucoup plus petite que la longueur du canal de lclair. Nous pouvons donc, en principe, observer le canal entier dune dcharge

au sol ou intra-nuage, car chaque segment de ce canal met du rayonnement. Lorsquun clair atteint le sol une puissante impulsion supplmentaire se produit aux alentours de 10 kHz. Cest la prsence de cette impulsion qui nous permet de faire la distinction entre une dcharge au sol et une intra-nuage.

La Figure 2 montre les variations du champ lectrique mesur au sol (V /m) en fonction du temps, lors dun coup de foudre compos de 4 dcharges (cd 4 arcs en retour). Les 4 dcharges sont clairement reconnaissables comme tant les 4 pics ngatifs dans le champ lectrique.

Figure 2: Les variations du champ lectrique (V /m) en fonction du temps lors dun flash compos de 4 strokes.

II. L a localisation des d charges

LIRM utilise plusieurs senseurs rpartis sur le territoire belge afin de dterminer lemplacement des dcharges. Limage ci-dessous montre un exemple de ces senseurs. Mais comment cela fonctionne-t-il ?

Figure 3: Un senseur se compose dune antenne relie des diples (1) et dune autre antenne capacitive (2).

Le senseur combine une antenne compose de diples (1) et une antenne capacitive (2). Les diples mesurent les hautes frquences (entre 110 118 MHz) et lantenne capacitive mesure les basses frquences produites par les dcharges au sol (entre 300 Hz et 3 MHz). En plus de ceci, le temps darrive de chaque rayonnement observ est trs prcisment enregistr.

La localisation des dcharges intra-nuages se fait sur base des informations rcoltes par les diples. Chaque

diple mesure la mme impulsion lectromagntique mise par lclair mais, chacun, un moment diffrent. On observe alors une diffrence de phase entre les diples qui dpend de la direction vers laquelle limpulsion est mise. Un deuxime ensemble de diples dun autre senseur peut son tour dterminer une direction. Lendroit o ces deux directions se croisent, donne la position de la dcharge intra-nuage. Ce systme est reprsent schmatiquement la figure 4 sur laquelle une erreur possible de direction a t indique. Plus lerreur est grande, plus la superficie dans laquelle la dcharge pourrait stre produite sera grande et plus lendroit exact de la dcharge sera incertain.

Figure 4: Dtermination de la position du rayonnement mis en utilisant 2 senseurs. Les points noirs reprsentent lemplacement des senseurs en Belgique. Le point rose reprsente lendroit o la dcharge sest produite.

Afin de dterminer lemplacement dune dcharge au sol, celle qui produit cette impulsion caractristique denviron 10 kHz, lIRM fait appel deux mthodes diffrentes. Avec la premire mthode, au moment o lantenne capacitive reoit une impulsion rsultante dun impact de foudre, celui-ci est affect au mme endroit que le dernier segment observ du canal de lclair dans les trs hautes frquences.Nous lavons dj dit prcdemment, lheure laquelle une impulsion est reue par un senseur est prcisment enregistre. La deuxime mthode utilise la diffrence dheure darrive de limpulsion, enregistre par les diffrents senseurs, et qui rsulte en une hyperbole imaginaire. Chaque point de lhyperbole symbolise une position probable de lclair, pour laquelle la diffrence de temps d'arrive correspond la diffrence de temps relle enregistre par les senseurs. Les autres senseurs fournissent aussi un point dintersection supplmentaire. Ce systme de dtection est schmatis la Figure 5. Il est parfois possible que 3 senseurs ne soient pas suffisants pour gnrer une solution sans quivoque. Un quatrime senseur sera alors ncessaire afin de dterminer quelle intersection dsigne la position relle de limpact.

Figure 5: A gauche : Exemple de dtermination dimpact laide de 3 senseurs. A droite : Exemple dans lequel 3 senseurs donnent 2 intersections. Un quatrime senseur est alors ncessaire pour dterminer laquelle des deux intersections donne la position relle de limpact.

III. Quelle est la pr cision du syst me de d tection de la foudr e de l'IRM ?

En aot 2011, lIRM a ralis une srie dobservations de lactivit lectrique des orages en Belgique. A laide dune camra haute vitesse relie un instrument de mesure de la variation du champ lectrique, nous avons pu filmer des clairs. Lanalyse de ces donnes nous a permis dvaluer le fonctionnement et la prcision du rseau de dtection de la foudre de lIRM.La camra enregistre 200 images par seconde, lquivalent dune exposition de 5 millisecondes par prise. Grce cela, il est possible didentifier chaque dcharge dun mme clair. Nous avons enregistr 57 clairs de qualit suffisante, avec un total de 210 dcharges, durant 3 pisodes orageux (les 22, 23 et 26 aot 2011).Une collaboration troite avec les prvisionnistes de lIRM est indispensable ces expriences. Grce eux, nous avons pu placer le matriel ncessaire au bon endroit et temps pour assister aux orages. La Figure 6 montre le type dinstallation utilise. On peut voir sur la photo la camra haute vitesse (1), un instrument qui mesure le champ lectrique (2), un gnrateur dlectricit (3) et un GPS (4). Tous ces appareils sont relis un ordinateur qui se trouve dans la voiture, afin de pouvoir directement enregistrer les donnes.A laide de ces observations, nous pouvons alors vrifier si notre systme de dtection a enregistr ces dcharges au sol et si le temps dobservation est correct. Durant la campagne dobservation, le systme de dtection de la foudre de lIRM a enregistr 95% des 57 clairs et 70% des dcharges ! On dtermine la prcision de la localisation par le biais des clairs pendant lesquels chaque dcharge individuelle remprunte le mme canal. Ces dcharges ont donc le mme point de contact avec le sol. La dispersion des localisations calcules par le rseau nous donne une ide de la prcision relative du systme. Pour linstant cette prcision est de 1 2 km.

Figure 6: Installation des instruments dobservation.

Dans les mois et annes qui viennent, nous serons en mesure daugmenter cette prcision en amliorant les senseurs et en poursuivant nos recherches.

IV. L'activit lectrique entre 2001 et 2011 en Belgique

Lenregistrement des dcharges au sol sur une longue priode donne une ide de la rpartition et de lintensit de lactivit lectrique pour un endroit donn. La Figure 7 ( gauche) montre le nombre d'clairs et de dcharges enregistrs par an en Belgique entre 2001 et 2011. On remarque que le nombre de coups au sol enregistrs varie d'une anne l'autre mais on ne peut pas en dgager une tendance claire. En moyenne, on peut dire qu'approximativement un clair au sol par km et par an est dtect sur notre territoire. Une carte de densit de la

moyenne des clairs pour la priode 2001-2011 nous montre que la rpartition des dcharges nest pas homogne. On y voit des rgions o la densit est un peu plus leve avec un maximum de 2.4 flashes par km par an. La rpartition gographique de la densit observe est-elle fidle la ralit ? La question reste pose. La position des senseurs pourrait expliquer pourquoi le systme dtecte plus d'impacts dans le centre du pays. Ceci fera lobjet de nos prochaines recherches.

Figure 7: A gauche : Le nombre d'clairs et de dcharges observs par an. A droite : une carte de densit moyenne pour la priode 2001-2011 du nombre d'clairs/km/an.