Mécanisme d’impact et modèle électrogéométrique
Foudre et protection des bâtiments – La physique

Lorsqu’en 1753 Benjamin Franklin inventa 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 ne résiste pas à l’analyse que permet la connaissance moderne des phénomènes d’ionisation. D’ailleurs, déjà du temps de Franklin, cette façon de voir fut rapidement infirmée : 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 était fixe et de l’ordre de 45 ou 60˚.

Malheureusement, ce modèle simplifié de protection est imparfait car il ne prévoit pas certains cas. 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 elles semblent même montrer que la concentration d’impacts est, à leur voisinage, supérieure à la moyenne de la région.

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’un Paratonnerre à Tige Simple (PTS), 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 elle 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 et la plus simple 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 et de la polarité du courant qui va s’écouler par le coup de foudre. D’autres approches sont possibles mais imposent des calculs avec des logiciels de simulation ce qui constitue encore un frein.

Mais, afin de pouvoir développer ce modèle et d’en préciser des applications, il est nécessaire d’étudier le phénomène orageux et d’examiner les paramètres principaux qui caractérisent la foudre.