Les incroyables figures de Lichtenberg.

On appelle figure de Lichtenberg la trace laissée par la foudre sur une surface qu'elle a touchée. Ce peut être les brûlures sur la peau d'une personne foudroyée.

Une figure de Lichtenberg est une image produite par une décharge électrostatique qui peut se former sur la surface ou l'intérieur d'un matériau isolant. Ces figures sont nommées en l'honneur du physicien allemand Georg Christoph Lichtenberg qui les a originalement découvertes et étudiées. Au temps de leur découverte, on pensait que leur apparence aiderait à déterminer la nature des « fluides » électriques positif et négatif.

En 1777, Lichtenberg construit un important électrophore afin de générer de l'électricité statique sous une forte tension électrique via l'induction électrostatique. Après la décharge de cette tension à la surface d'un isolant, ces images ont pu être fixées dans de la poussière : c'est aussi la découverte du principe de base de l'électrophotographie.

C'est d'autre part une découverte préliminaire à celle de la physique de l'état plasma. Les figures de Lichtenberg sont également des exemples de fractales. (source : wikipedia)

Si vous avez envie d'un tatouage original et que vous jouez à la roulette russe tous les weekends, arpentez donc le gazon d'un terrain de golf, un jour d'orage, en croisant les doigts pour être frappé par la foudre. Vous obtiendrez peut être le résultat montré sur les photos.

Ces traces énigmatiques en embranchements (aussi appelés dendrites) sont des figures de Lichtenberg. Elles apparaissent parfois sur la peau des personnes foudroyées et la marquent durant plusieurs heures à plusieurs jours. Elles résultent de la rupture de capillaires sanguins (de minuscules vaisseaux) due à la diffusion du courant pendant la décharge électrique. Elles sont parfois visibles dans l'herbe ou la terre aussi, autour des points d'impact.
La formation des figures de Lichtenberg

Plus généralement, les figures de Lichtenberg sont des motifs créés par des décharges électrostatiques, soit à la surface, soit dans le volume d'un matériau isolant. Elles sont connues depuis l'antiquité mais c'est Georg Christoph Lichtenberg qui, en 1777, au cours de ses recherches sur ce qu'on appelait à l'époque les "fluides électriques", a réalisé les premières expériences permettant de les reproduire.

Leur formation est très bien décrite par le modèle d'agrégation limitée par diffusion(ALD). Cette théorie, proposée par Witten et Sander en 1981, permet de décrire n'importe quel système où la diffusion est le principal mode de transport. Cette petite vidéo montre les résultats d'une simulation utilisant ce modèle :

Les particules suivent une "marche aléatoire" (aussi appelée "mouvement brownien") : elles se diffusent aléatoirement à partir d'un point de départ, comme le sucre dans un café. Au début, les particules sont toutes concentrées au même endroit. Lorsqu'elles sont libérées, elles forment des agrégats qui se diffusent dans le milieu et se divisent en morceaux plus petits.

Illustration de la diffusion du sucre dans l'eau
Un agrégat de particules change de trajectoire à chaque fois qu'il en rencontre un autre, de sorte que, par chocs successifs, sa trajectoire se trouve cantonnée dans un espace de plus en plus petit.

Le cheminement des particules forment des figures caractéristiques, appelés "arbres browniens" ou figures de Lichtenberg. Dans le cas de la circulation d'un courant, les particules sont des électrons qui, en se diffusant dans le matériau, provoquent des modifications structurelles qui rendent leur parcours visible.

LES FIGURES DE LICHTENBERG

Aujourd'hui, ces figures sont utilisées dans l'analyse et le diagnostic de dispositifs électriques. Elles permettent de prévenir les pannes ou de repérer les pièces défaillantes. Elles sont également une bonne indication pour les médecins qui peuvent, en cas d'accident, déduire de leurs formes et de leurs tailles l'intensité du courant qui a traversé le joueur de golf imprudent. Enfin, des artistes comme Todd Johnson utilisent le procédé pour créer des figures en trois dimensions, en provoquant une forte décharge en un point d'un bloc d'acrylique ou de verre. Le courant traverse alors le matériau en créant des fractures qui forment une figure de Lichtenberg. En utilisant un voltage moins élevé, on peut aussi produire des figures équivalentes sur du bois :

Figures de Lichtenberg et fractales

Les figures de Lichtenberg sont un bon exemple des célèbres figures fractales. Ces objets mathématiques sont caractérisés par des formes qui se créent en suivant des règles précises impliquant une homothétie interne : leur structure est invariante par changement d’échelle et se répète à l'infini. Si l'on "zoome" sur la figure, sa structure ne change pas, son apparence est la même quelque soit la distance d'observation. Ainsi, même si l'on découpe un morceau fini (un carré de dix centimètres de côté par exemple), le contour de la figure est infini. Il a fallu développer une nouvelle géométrie pour les décrire ! Il est plus simple de comprendre la structure des fractales avec des exemples visuels. La vidéo de gauche ci-dessous illustre parfaitement la propriété d'autoréplication.

On pourrait croire que les fractales ne sont qu'un amusement mathématique sans lien avec la réalité, mais il s'avère que ces figures sont partout : on les trouve dans les frontières ou les côtes maritimes, le relief terrestre, les bronches, les vaisseaux sanguins, les divisions cellulaires, les cristaux de neige, la foudre (vidéo ci-dessous), les racines, la répartition des galaxies dans l'univers ou mêmes dans des phénomènes a priori sans rapport, comme les fluctuations des crues des fleuves ou celles des cours boursiers. Bien sûr, dans tous ces exemples, les fractales ne sont pas infinies. Néanmoins, la géométrie fractale est le meilleur outil pour le calcul de leurs propriétés. En plus, leurs représentations colorées et géométriques sont d'une beauté fascinante !

Fractales de glace sur une fenêtre. Crédits : Kevin Roche

(source : sweetrandomscience)

Aussi loin que l'on remonte dans la littérature, on retrouve des récits relatant des accidents consécutifs à la fulguration chez l'homme ou chez l'animal. Aristote signale déjà des paralysies succédant immédiatement à un coup de foudre. La foudre était alors associée à la colère des dieux et à la notion de châtiment pour les fautes ou les péchés commis.

LA FOUDRE

On sait déjà depuis deux siècles que les éclairs et la foudre sont une forme d'électricité. L'origine de la foudre est en général un nuage orageux, de type cumulo-nimbus, en forme d'enclume occupant une surface de plusieurs dizaines de kilomètres carrés et ayant une épaisseur de plusieurs kilomètres. Le volume de ce nuage peut dépasser 1 000 KM3 et la masse est de l'ordre de centaines de milliers de tonnes d'eau. Les cumulo-nimbus sont constitués de gouttes d'eau à la partie inférieure, de particules de glace à la partie supérieure et se constituent à partir de courants atmosphériques ascendants dont la vitesse peut dépasser 20 mètres/seconde.
Ce nuage tonne un véritable dipôle électrique dont la partie supérieure est chargée positivement et dont la partie inférieure est chargée négativement. Il existe parfois aussi une poche chargée positivement à la base du nuage. Lorsque la charge électrique du nuage devient suffisante pour provoquer la rupture diélectrique de l'air, une prédécharge peu lumineuse, le plus souvent née à la partie inférieure du nuage, progresse par bonds à très grande vitesse, au hasard, en direction du sol.

L'altitude de la base du nuage est d'environ 2 à 3 000 mètres.
Lorsque cette prédécharge appelée traceur par bonds (stepped-leader) ou précurseur parvient à quelques dizaines de mètres du sol, à partir d'un objet quelconque faisant saillie, une prédécharge ascendante prend naissance et rejoint le canal ionisé que constitue le précurseur. La rencontre de ces deux prédécharges constitue un intense courant électrique, arc de retour (retum-stroke) qui s'engouffre dans le canal et devient très lumineux. Cet ensemble de phénomènes constitue le coup de foudre le plus fréquent de type descendant. Si des structures de très grande hauteur font saillie, par exemple en montagne, c'est généralement le processus inverse qui se produit et le traceur part du sommet de la proéminence et se dirige vers le nuage. On distingue plusieurs types de coups de foudre qui se définissent selon la polarité et la direction. Le plus fréquent est le coup de foudre descendant négatif En montagne, les coups de foudre sont souvent de type ascendant négatif. La polarité du champ électrique au sol est déterminée par celle de la partie du nuage où est née la décharge initiale [2].

Les éclairs

L'éclair peut être défini comme la manifestation lumineuse de la foudre. Quand la charge du nuage est suffisamment importante pour que le champ électrique dépasse la résistance locale de l'atmosphère, l'éclair jaillit. Au moment de la décharge, le champ électrique est de l'ordre d'un million de volts et fournit une puissance équivalente à environ 100 millions d'ampoules électriques ordinaires. Durant cette fraction de seconde, l'énergie électrostatique est transformée en énergie électromagnétique (phénomène lumineux), en énergie acoustique (tonnerre) et enfin en chaleur. Il faut conserver présent à l'esprit que l'éclair se propage dans les deux sens. Les éclairs les plus nombreux et les plus importants sont situés à l'intérieur du nuage et sont invisibles. Leur trajet semble aléatoire. En fait tout indique que les trajectoires suivent les lignes de plus grande concentration de charges.

Le feu de Saint Hèlme

C'est une autre manifestation lumineuse de l'électricité atmosphérique. Il s'agit de multiples et petites décharges formant des aigrettes à l'extrémité des mâts ou des piolets. Ces lueurs sont stationnaires ou peuvent osciller autour des pointes.

La foudre en boule

Sphère lumineuse jaune orangée de quinze à vingt centimètres de diamètre, elle reste un mystère pour les scientifiques. Elle se comporte de façon imprévisible , soit elle s'évanouit, soit elle explose en créant des dégâts.

Le tonnerre

C'est le phénomène acoustique. Il est provoqué par la violente expansion de l'air dans le canal de l'éclair résultant de son échauffement instantané. L'onde de pression ainsi créée est voisine de 100 atmosphères expliquant l'intensité sonore. Le tonnerre n'est perçu qu'après l'éclair car la vitesse de propagation du son est nettement inférieure à celle de la lumière. Pour connaître la distance du point de chute de la foudre, par rapport au point d'observation, il suffit de compter le temps séparant l'apparition de l'éclair du moment où l'on commence à entendre le tonnerre et de diviser le temps ainsi obtenu par 3 pour arriver à la distance en kilomètres.

Quelques chiffres annuels

20 à 50 personnes sont tuées;

17 000 incendies des biens immobiliers 0 10 % au moins des feux de forêts;

50 000 compteurs électriques sont endommagés;

20 000 têtes de bétail sont victimes de la fulguration.

Il existe des cartographies définissant le nombre de jours par an au cours duquel le tonnerre a été entendu dans un lieu donné : courbes de niveau kéraunique:

15 à 30 en France;

180 en Indonésie ou en Afrique du Sud.

Plus intéressante est la densité de coups de foudre au sol par km² et par an:

1 à 3 coups en France.

Exemples de risque defoudroiement:

ferme isolée de 450 M2 au sol probabilité 1 coup tous les 100 ans

arbre de 15 ni de hauteur et de 10 ni de diamètre 1 coup tous les 200 ans

homme de 1,70 ni: 1 coup tous les 10.000 ans.

LE FOUDROIEMENT

L'action du courant électrique sur l'organisme humain est soumise à divers facteurs, en rapport d'une part avec les caractéristiques du courant et, d'autre part avec la résistance du tissu traversé. Le corps humain, debout en contact avec le sol, constitue une résistance d'environ 200 W.
La résistance globale du sujet est la résultante de la résistance du milieu intérieur du corps et de celle de la peau. Il semble que les formations liquidiennes, vasculaires et méningées représentent des voies de moindre résistance. La résistance de la peau est conditionnée par son degré d'humidité et par la surface de contact. L'organisme et notamment le cerveau doivent être considérés comme un ensemble d'armatures et de diélectriques constituant une série de condensateurs sphériques, concentriques.
Lorsqu'il y a application d'une tension trop élevée, il y a perte des propriétés isolantes et le passage du courant électrique à travers le milieu crée dans les solides un phénomènes de claquage ou de percement. La foudre atteint l'homme soit directement soit indirectement .

Atteinte directe

L'atteinte est directe lorsque le corps se trouve sur le trajet de la foudre. Quatre principaux mécanismes sont décrits et peuvent s'associer entre eux :

Le coup de foudre direct
Le plus souvent, le voltage d'un coup de foudre est tel qu'il est dérivé en grande partie à la surface du corps sous forme d'un arc de contournement (external flashover). La différence de potentiel, entre la partie supérieure du corps et le sol, est si élevée qu'elle amorce un arc électrique dans lequel s'écoule la majeure partie du courant. Un à dix ampères seulement traversent l'organisme et ce pendant quelques centaines de microsecondes.
On peut comparer ce mécanisme à "l'effet de peau" circulation des courants de hautes fréquences à la surface des conducteurs.
Lorsque le gradient de potentiel est faible, toute l'intensité du courant de l'éclair traverse le corps avec des conséquences pathologiques, en fonction des organes traversés.
On oppose les éclairs descendants, qui provoquent facilement un arc de contournement, aux éclairs ascendants, plus dangereux pour l'organisme humain, pour lesquels le courant d'ampérage insuffisant parcourt l'organisme durant plusieurs dixièmes de secondes avant l'éclair proprement dit. Ces différents mécanismes permettent d'expliquer les différents types de lésions rencontrées, notamment la volatilisation des vêtements et la vaporisation de la sueur par les courants de surface, ceux-ci se chargeant d'électricité de même signe que la surface cutanée, comme sur un électroscope. Les objets métalliques portés sur le corps constituent un trajet préférentiel pour le courant de foudre. Portés sur la tête ils sont particulièrement dangereux : "effet épingle à cheveux" (Kitagawa). Sur la partie inférieure du corps ils favorisent la formation d'un arc de contournement, c'est "l'effet fermeture éclair" théoriquement protecteur.

Electrisation de contact
Cas où le corps humain est en contact direct avec un élément conducteur lui même directement foudroyé. Il s'agit d'une circonstance plus dangereuse car dans ce cas le courant traverse l'organisme.

Eclair latéral
Une personne au contact avec la terre s'abrite sous une structure conductrice (arbre, tente ... ) recevant elle même un coup de foudre direct. La différence de potentiel entre le conducteur et la tête de l'individu s'élève et produit un claquage diélectrique de l'air d'où la création d'un éclair latéral suivant le trajet de moindre résistance. Les conséquences sont les mêmes que celles d'un coup de foudre direct. Ces accidents peuvent se produire à l'extérieur, mais aussi à l'intérieur (téléphone). On cite également les foudroiements collectifs en plein air avec propagation d'une personne à l'autre.

Le foudroiement par tension de pas

L'éclair frappe un point du sol et le courant se répartit dans le sol, dans toutes les directions. Plus la résistivité du sol est importante (roche, eau, terre), plus les courants sont intenses et se propagent loin. Une personne debout sera soumise à une différence de potentiel d'autant plus élevée que la distance entre ses pieds sera importante et qu'elle sera proche du point d'impact. Ces courants de sol sont plus dangereux pour les quadrupèdes que pour l'homme (debout), le coeur étant en dehors du trajet.
En synthèse on distingue les conséquences dues aux effets électriques non thermiques sur les organes traversés et les effets électrothermiques.

Brulures cou foudre.png

Atteinte indirecte

On observe plusieurs mécanismes

l'effet blast par surpression;

l'effet acoustique (120 à 130 décibels)

l'effet lumineux dû à l'arc électrique;

les traumatismes indirects par chute ou projection (Paralysie transitoire ou effet de souffle).

III.. LE FOUDROYÉ

La fulguration est un accident brutal : "l'homme qui voit l'éclair et entend le tonnerre n'est pas celui qui sera foudroyé" .
Immédiatement après avoir été frappé par la foudre la victime peut présenter différents tableaux :

la mort immédiate due à des lésions graves irréversibles ou à une chute post-fulguration;

un tableau d'asphyxie banale le plus souvent : la victime est immobilisée, la face et les extrémités sont cyanosées, la cage thoracique est figée, traduisant une inefficacité ventilatoire ou une véritable apnée;

un tableau syncopal: dans ce cas la victime est en arrêt ou tout au moins en inefficacité cardiorespiratoire. Le faciès est pâle, les pouls sont imperceptibles ou abolis. Cet état de mort apparente peut se prolonger de quelques secondes puis se résoudre spontanément sinon une réanimation cardio-circulatoire est nécessaire.

Dans les cas les plus bénins, il n'y aura pas de perte de connaissance et la symptomatologie se résumera à un syndrome déficitaire plus ou moins transitoire ou hyperalgique localisé.
Devant la multiplicité des manifestations cliniques, nous présenterons les différents signes observés appareil par appareil [6].mes protéolytiques (fibrinolysine, désoxyribonucléase) en application locale tous les deux jours. De fait certaines lésions vont nécessiter un complément d'excision dès le quatrième jour.électro-thermique intéressant soit l'épiderme, soit la totalité du derme et une partie plus ou moins importante de l'hypoderme. Quelle que soit l'importance des lésions, les atteintes vasculaires sont progressivement décroissantes en s'éloignant du foyer de nécrose. La gravité de la nécrose varie en fonction de l'intensité du courant.

CONCLUSION

Les accidents de la fulguration sont donc caractérisés par des manifestations très variées et parfois très spectaculaires. Si l'impact direct est le plus souvent mortel, les atteintes secondaires sont de meilleur pronostic et parfois même guérissent sans séquelle.

(source : wikipedia et edbc)

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