Physique des phénomènes orageux : données actuelles
Foudre et protection des bâtiments

Lorsque Benjamin Franklin inventa, en 1753, le paratonnerre à tige, il pensait que, par son effet de pointe, celui-ci était capable d’écouler à la terre le « fluide électrique » contenu dans le nuage orageux, et, par là, d’empêcher la foudre de tomber.

Cette hypothèse, encore admise par certains il n’y a pas si longtemps, ne résiste pas à l’analyse que permet la connaissance moderne des phénomènes d’ionisation. D’ailleurs, cette façon de voir fut rapidement infirmée, déjà du temps de Franklin : parmi les nombreuses tiges qu’il fit élever, cinq furent frappées par la foudre dès la première année de leur mise en place.

La seconde façon d’expliquer le rôle protecteur des paratonnerres consiste alors à considérer leur pouvoir d’attraction sur la foudre. On a cependant assez rapidement reconnu que ce pouvoir était limité à un volume relativement réduit, ce qui permet néanmoins d’assurer une certaine zone de protection autour du paratonnerre. Diverses définitions de cette zone, toutes empiriques, ont été données, généralement sous la forme d’un cône de section circulaire, d’axe vertical, et dont le sommet coïncide avec la pointe du paratonnerre. On a longtemps admis que le demi-angle au sommet de ce cône devait être de l’ordre de 45 ou 60˚. On a également représenté le contour de la zone protégée par une surface de révolution dont la génératrice était un arc de cercle tangent à la fois à la tige du paratonnerre en son sommet et à la surface au sol.

Malheureusement, ces divers modèles de protection sont encore imparfaits, car ils ne prévoient pas certains cas extrêmes. On connaît, en effet, de nombreux cas où la foudre est tombée au pied même du paratonnerre ou d’une tour élevée, ou a frappé cette tour à mi-hauteur. Ces observations ont notamment été faites auprès de tours de télévision et semblent même montrer que la concentration d’impacts est, à leur voisinage, supérieure à la moyenne de la région.

Ces exemples montrent qu’une protection parfaite contre la foudre est illusoire. Le risque encouru doit être maîtrisé. Nous montrerons dans cet article que, dans le cas où une protection absolue est nécessaire, la seule solution consiste à entourer l’objet à protéger par une cage de Faraday, à moins que l’objet ne soit lui-même en métal conducteur. Cependant, l’application qui est faite de la cage de Faraday pour la protection directe contre la foudre, la cage maillée, a une efficacité qui varie en fonction de la dimension des mailles. Parallèlement, ces dernières années ont vu apparaître de nouveaux paratonnerres [appelés PDA (paratonnerre à dispositif d’amorçage)] qui sont réputés plus efficaces que les tiges de type Franklin.

L’étude des phénomènes physiques mis en jeu par la foudre a permis d’élaborer une méthode de détermination de la zone de protection d’une tige verticale, ou de fils tendus horizontalement ; elle permet également de définir la taille maximale des mailles d’une cage. Cette méthode est fondée sur l’analyse du mécanisme d’impact de la foudre et est mise en œuvre au moyen d’un modèle mathématique appelé modèle électrogéométrique. Bien que ce modèle ne soit pas parfait – bien des incertitudes subsistent – il constitue néanmoins l’approche la plus cohérente pratiquement de la protection directe contre la foudre qui ait été élaborée à ce jour. Il permet entre autres d’expliquer pourquoi la foudre peut tomber au pied d’une tour, donc d’expliquer certains « ratés » de protection, et montre que la zone de protection dépend de l’intensité de crête du courant qui va s’écouler par le coup de foudre.

Mais, afin de pouvoir développer ce modèle et d’en préciser des applications, il est nécessaire d’étudier les phénomènes orageux et d’examiner les paramètres principaux qui caractérisent la foudre. Ce sera l’objet de la première partie de cet article.

Ce qui vient d’être dit concerne la conception traditionnelle de la protection des bâtiments et des édifices par paratonnerre ou cage maillée, qui a pour fonction d’éviter les dégâts par coups de foudre directs, et qu’il est convenu de désigner par « protection extérieure ».

Mais aujourd’hui, il existe une très nette tendance à insister, parallèlement, sur la nécessité d’installer une « protection intérieure ». En effet, depuis une dizaine d’années, les équipements électriques, l’informatique, l’audiovisuel, les télécommunications envahissent tous les domaines de l’activité humaine, comme l’industrie, l’artisanat, le tertiaire, la domotique. Le développement accéléré de ces techniques, dont les équipements ont une vulnérabilité extrême aux effets de la foudre, a induit la nécessité de nouvelles recherches sur les phénomènes orageux et sur les moyens pour se protéger contre leurs effets néfastes. Cet aspect de la protection sera également largement traité dans la deuxième partie de cet article.