Paratonnerre

Le paratonnerre est un dispositif conçu afin de fournir un point d'impact à la foudre ainsi qu'un chemin contrôlant l'évacuation des charges électriques. Autrement dit, il protège de la foudre les bâtiments et toutes les hautes structures. Selon l'histoire officielle^{[non neutre]}, il est inventé le 15 juin 1752 par Benjamin Franklin à Philadelphie. Depuis, les notions caractérisant le dispositif portent le nom d'effet de pointe en électrostatique et de cage de Faraday. Pour établir une protection contre la foudre, il faut construire une cage de Faraday enveloppant l'édifice à protéger.

Paratonnerre

La Tour CN de Toronto, frappée par la foudre à 04:17 le 23 juillet 2008.

Type	Dispositif de sécurité, protection contre la foudre (d), électrode

Invention

Inventeur	Benjamin Franklin
Date	1752

Utilisation

Utilise	Effet de pointe
Intéragit avec	Foudre
Usage	Protection contre la foudre (d), mode du paratonnerre (en)

Paratonnerre installé au troisième étage de la tour Eiffel à Paris.

« La Tour Eiffel, paratonnerre géant. »
Photographie prise à 21 h 20 le 3 juin 1902 et publiée dans le Bulletin de la Société Astronomique de France en mai 1905.

Paratonnerre, avec mise à la terre (ou à l'eau)

Les points hauts tels que les cheminées sont souvent choisis comme support de paratonnerre

Paratonnerre PDA

Paratonnerre traditionnel

Historique

Benjamin Franklin se passionne pour l'électricité et pense que la foudre est un phénomène électrique. Si le physicien est le premier à émettre l'idée, le 29 juillet 1750 de se protéger de la foudre au moyen de tiges de métal pointées vers le ciel et reliées au sol, Franklin n'est pas le premier à mener cette expérimentation.

Dès 1744, Charles François de Cisternay du Fay démontre que les pointes ont la propriété de provoquer à distance un lent écoulement de l’électricité répandue dans l’atmosphère.

L'histoire rapporte l'expérience du cerf-volant de Franklin qui a lieu le 15 juin 1752 mais il est fort probable qu'il n'ait pas réellement conduit cette expérience^{[réf. nécessaire]} et, en outre, concernant la capture d'un éclair, il est précédé par le comte de Buffon qui avait fait poser une longue barre de fer sur l'observatoire de la tour Montbar, et puis juste après par le Français Thomas-François Dalibard qui recommande qu'on élève à Marly-la-Ville une barre de fer semblable, de 40 pieds de hauteur. Celle-ci, posée le 10 mai 1752, fut la première à recevoir la foudre (le 19 mai 1752), et M. Delor aurait répété l'expérience à Paris une semaine plus tard, avant que l'appareil de Buffon ne soit foudroyé à son tour neuf jours après celui de Marly-la-Ville. Peu après, d'autres paratonnerres sont dressés à l’observatoire de Paris, à Saint-Germain-en-Laye, à Montmorency, et dans le monde entier.

Par ailleurs, Jacques de Romas réalise le 7 juin 1753 l'expérience où il prouve publiquement la nature électrique de la foudre en envoyant son cerf-volant vers la nuée orageuse. De la corde (entourée d'un fil métallique) qui le retenait au sol, il obtient des étincelles de plus de dix pieds de long et d'impressionnantes détonations. Jacques de Romas a décrit dès 1752 le processus à mettre en place avec son « cerf-volant électrique » avant que Franklin ne réalise son expérience. C'est par une fâcheuse erreur de l'académie des sciences de Bordeaux que l'invention ne lui a pas été attribuée, erreur reconnue et réparée par les rapports des 1^er et 4 février 1764. Benjamin Franklin n'a jamais reconnu publiquement l'antériorité des conclusions de Jacques de Romas, même après les conclusions accablantes de l'Académie de Paris concernant la réclamation de Jacques de Romas en 1764. Benjamin Franklin se garda bien de contester cette décision, comme s'il reconnaissait pour sa part l'équité de ce jugement ; mais pour la postérité, c'est Benjamin Franklin qui restera l'inventeur.

Par contre, Franklin n'avait pas songé que la connexion à la masse serait essentielle. Dès 1750, l'abbé tchèque Václav Prokop Diviš suggère cette étape, et construit en 1754 un paratonnerre lié à la terre au moyen de chaînes en fer, le premier appareil de ce genre. Franklin fera de même en 1760 à Philadelphie.

Principe de fonctionnement

La structure d'un paratonnerre est composée d'une tige placée en hauteur et connectée à la terre par un ou plusieurs éléments métalliques appelés conducteurs de descente, capables de conduire cette électricité : ces conducteurs peuvent faire partie de la cage de Faraday.

Le paratonnerre n'attire pas la foudre mais rend plus probable, grâce à l'effet de pointe, le parcours d'un claquage du diélectrique que constitue l'atmosphère. Ce claquage suit un parcours souvent initié par un précurseur. Le paratonnerre captera donc la foudre dans sa zone d'influence (zone de protection), mais les éclairs qui auraient eu tendance à tomber en dehors de cette zone continueront à le faire.

Différents types de paratonnerres existent mais les trois plus courants sont : la pointe simple (dite pointe de Franklin), le paratonnerre à dispositif d'amorçage (PDA) et la cage maillée (cage de Faraday).

La pointe simple

Le système de protection est constitué, outre l'organe de capture, d'une ou deux descentes associées chacune à une prise de terre.
La pointe d'une tige est entourée d'un champ électrique en période orageuse. Si l'arc électrique (l'éclair) se dirige vers l'une des pointes, alors il finira sa course dans les câbles de descente (au lieu de passer par le bâtiment).
Une pointe unique a une utilité réduite, car rien ne garantit que l'éclair tombera à cet endroit et il existe de nombreux témoignages confirmant que la foudre peut tomber juste en dessous ou à côté d'un paratonnerre, dégradant ainsi le bâtiment supposé être protégé.

Le paratonnerre à dispositif d'amorçage (PDA)

Voir la section Paratonnerres à dispositifs d'amorçage de l'article.

La cage maillée

Le système de protection est constitué de plusieurs pointes, couvrant toute la toiture et les arêtes du bâtiment à préserver. Les pointes sont reliées entre elles par des filins conducteurs interconnectés, reliés à la terre et formant une cage (dite cage de Faraday). Il est inutile de l'élever très haut.
Il existe tout autant de témoignages montrant des coups de foudre à l'intérieur de la maille de la cage... En vérité ces cas d'échec de capture sont très rares quel que soit le type de protection. Que la pointe soit seule n'a pas d'importance en termes de capture... ce qui compte c'est que la structure à protéger soit bien dans la zone de protection du paratonnerre.^[pas clair]

Zone protégée

Le modèle actuellement reconnu pour évaluer la zone protégée est le « modèle électrogéométrique ». Il consiste à considérer qu'un bâtiment (quelle que soit sa hauteur, qu'il soit ou non équipé d'un paratonnerre) n'est protégé que sous une sphère qui y est accolée. Autrement dit, on prend une boule (sphère) géante et imaginaire que l'on fait rouler jusqu'au contact contre le bâtiment.

• L'espace situé en dessous du point de contact est supposé protégé.
• La taille du rayon de la sphère dépend de l'intensité de l'éclair dont on espère se protéger (de 5 mètres seulement pour un petit choc, à 200 mètres pour des chocs très rares et intenses).
• Vu sous un autre angle, seuls les forts chocs de foudre seront attirés par les hauteurs du bâtiment ou les pointes de paratonnerres.
• Potentiellement, le bas d'un bâtiment risquera toujours un éventuel choc de foudre. Par conséquent la foudre peut tomber même entre deux pieds de la tour Eiffel.
• En s'éloignant du bâtiment, aucune protection particulière n'est constatée. L'idée que la pointe du clocher protège tout le village est donc erronée.
• Cela implique aussi qu'il n'est pas très utile d'élever démesurément les paratonnerres ni très prudent de tout miser sur eux.

Enfin, ce modèle n'a été observé que pour les décharges négatives (90 % des cas), aucune réelle protection n'étant constatée avec les chocs positifs (10 % des cas).

En conclusion, la notion de « zone protégée » connue culturellement est à relativiser fortement.

Intérêt et limite de la protection

Paratonnerre de protection d'une statue

Il est rare de subir un choc direct de foudre. Le plus souvent, les dégradations et pannes sont causées à distance par l'onde magnétique, car un éclair dégage une onde très puissante. C'est cet effet indirect qui est responsable de la majorité des pannes électriques ou électroniques.

• Cela implique qu'un paratonnerre ne protège en rien les matériels électroniques (au contraire, si l'éclair touche il tombe au plus près des appareils).
• Toutefois, s'il y a plusieurs conducteurs de descente vers la terre, il peut y avoir en prime un effet réducteur de l'onde magnétique (à l'intérieur du bâtiment).
• L'objectif d'un paratonnerre est d'éviter des incendies et des dégradations de la structure du bâtiment. Il protège donc les biens et les personnes. Mais il est important d'associer une protection contre les effets indirects (parafoudres) à cette protection contre l'impact direct (paratonnerre).
• Il est important d'avoir plusieurs conducteurs de descente (capables d'écouler le choc de foudre) et bien positionnés. Ces conducteurs doivent être reliés aux masses métalliques proches pour éviter des arcs électriques : à l'instant du choc, deux extrémités d'un même câble ne sont plus au même potentiel (il peut y avoir plusieurs milliers de volts d'écart).

Autres protections

Pour les constructions individuelles, les spécialistes en CEM (compatibilité électromagnétique) connaissent des techniques simples, efficaces et peu coûteuses sur les façons de câbler l'installation électrique pour protéger les matériels. Ces conseils font souvent partie des normes actuelles, en particulier pour des constructions nouvelles :

• liaison équipotentielle ;
• absence de boucles sauf sur les masses ;
• recâbler le réseau électrique est plus efficace qu'un paratonnerre pour protéger les matériels.

Pour protéger également le bâtiment, il faut un paratonnerre à plusieurs pointes ou la pose d'une ceinture conductrice sur les arêtes du bâtiment. Cela est contraignant et peu esthétique dans le cadre d'une habitation individuelle. La pose est donc essentiellement rencontrée en milieu industriel. Il est en revanche conseillé de poser une pointe au point d'impact si le bâtiment a déjà été touché par un choc direct.

La bonne nouvelle : il est possible, mais très rare d'être touché directement par la foudre, que le bâtiment soit ou non « protégé ». En revanche, lutter contre les effets indirects (électromagnétiques) est prioritaire car il y a régulièrement des orages.

Attention à ne pas confondre les paratonnerres (dont il est question dans cet article et qui tentent de protéger la structure d'un bâtiment) avec les parafoudres (qui eux protègent les appareils électriques). Les parafoudres sont des protections (efficaces si bien câblées) à faire poser sur le circuit électrique, justement pour se protéger des surtensions induites.

Paratonnerres à pointe active

Il s'agit de paratonnerres équipés sur leur pointe d'un dispositif visant à accroître la zone de protection, également appelés PDA, pour paratonnerres à dispositif d'amorçage (cf. paragraphe PDA).

Paratonnerres radioactifs

Dès 1914, le physicien hongrois Béla Szilárd propose de renforcer l'ionisation naturelle autour des installations de protection foudre avec des sources radioactives placées à proximité de la pointe des paratonnerres. L'idée aboutit à la commercialisation de paratonnerres radioactifs, plus simplement surnommés parads. Les doutes sur la validité du procédé, compte tenu de la difficulté de prouver son efficacité, émergèrent dans les années 1970 et conduisirent de nombreux pays à les interdire à partir des années 1980, en 1985 en Belgique, et 1^er janvier 1987 pour la France.

Conscientes du risque de dissémination des radioéléments (radium 226 et américium 241), les autorités interdirent leur fabrication, leur vente et leur installation, les « Parads » ayant une activité de quelques dizaines de mégabecquerels pour les émetteurs alpha, et pouvant atteindre 1 GBq pour d'autres.

Il est fréquent d'en trouver sur les toits ou les clochers, notamment en France et dans ses anciennes colonies. Selon les sources officielles (ASN, IRSN, ANDRA, INAPARAD), il en resterait environ 40 000 pour le seul territoire français. Pourtant, vieillissants et souvent en mauvais état, ils peuvent menacer la santé du public et l'environnement.

En France

Après démontage ou chute accidentelle, les paratonnerres radioactifs sont considérés par l'Agence nationale pour la gestion des déchets radioactifs comme étant des déchets radioactifs de faible activité à vie longue (FA-VL).

L'arrêté du 15 janvier 2008 impose leur retrait des ICPE (installations classées pour la protection de l'environnement) avant le 1^er janvier 2012.

La dépose et le transport de ces sources radioactives ne peuvent être réalisés que par les entreprises agréées par l'Autorité de sûreté nucléaire (ASN). Pour obtenir son agrément, les entreprises doivent disposer de locaux d'entreposage provisoire sécurisés et d'un personnel spécialement formé aux techniques de radioprotection (Personnel compétent en radioprotection, PCR).

Depuis le 11 mars 2011, un site Internet d'intérêt collectif réalise l'inventaire et la localisation des dizaines de milliers de parads disséminés sur le territoire français. Il fait notamment appel à la mobilisation citoyenne des internautes. L'Inventaire National des Paratonnerres Radioactifs fonctionne en concertation avec l'ASN, l'Institut de radioprotection et de sûreté nucléaire (IRSN), l'Agence nationale pour la gestion des déchets radioactifs (ANDRA) et avec le soutien de la Commission de recherche et d'information indépendantes sur la radioactivité (CRIIRAD), du réseau Sortir du nucléaire et de l'Association de contrôle de la radioactivité dans l'Ouest (ACRO).

En Belgique

En Belgique, l'installation de parads est interdite depuis 1985 ; l'AFCN a lancé une opération de récupération de ces sources orphelines en 2003. Leur nombre était estimé à plusieurs milliers en Belgique.

Paratonnerres à dispositifs d'amorçage

L'amélioration du paratonnerre de Franklin consiste à « créer une ionisation nettement supérieure à celle qui résulte de l'effet couronne spontané ou à maîtriser cet effet couronne pour optimiser sa production ».

Les paratonnerres à dispositif d’amorçage (PDA), ou Early Streamer Emission (ESE) en anglais, sont des dispositifs de protection contre la foudre apparus en 1984 en France, puis en Espagne. Ces deux pays ont été les premiers à adopter des normes spécifiques encadrant leur utilisation (NF C 17 102 en France, UNE 21186 en Espagne).

La France a été fortement impliquée dans le développement de cette technologie, avec des contributions d’autres pays, notamment l’Espagne. Les performances des PDA reposent principalement sur des essais en laboratoire, voire sur site.

Principe de fonctionnement

Un PDA vise à améliorer la probabilité de capture de la foudre par rapport à un paratonnerre à tige simple (PTS). Le dispositif cherche à initier précocement et au meilleur moment le traceur ascendant afin d’augmenter la probabilité d’interception du traceur descendant. Il devrait ainsi remporter la compétition des traceurs ascendants pour la rencontre avec le traceur descendant.

Ce principe repose sur la maîtrise de l’effet de couronne (ou effet corona), qui intervient dans les phénomènes de pré-ionisation de l’air au voisinage de la pointe.

Selon les fabricants, ces dispositifs permettraient soit d’augmenter le rayon de protection, soit d’améliorer la fiabilité de capture à rayon équivalent par rapport à un PTS.

Les dernières évolutions technologiques ont vu apparaître des PDA « testables » par communication radio, afin de vérifier que le paratonnerre est toujours en état de marche après avoir capté la foudre.

Modélisation

Le dispositif est censé présenter une avance à l’amorçage temporelle, notée ΔT (s ou μs), par rapport à un PTS. Cette avance se traduit par une augmentation de la distance parcourue par le traceur ascendant, notée ΔL (m), dépendant de la vitesse de propagation supposée du traceur (1 m/μs, d'après l’expérimentation acquise sur le terrain). Dans les modèles utilisés :

$\Delta L=10^{6}\cdot \Delta T$

Les valeurs de ΔT sont déterminées en laboratoire selon des protocoles définis par la norme NF C 17 102, avec des valeurs typiques comprises entre 10 µs et 60 µs. Les essais incluent également des critères statistiques.

Le rayon de protection est calculé à partir du modèle électro-géométrique (modèle de la sphère fictive) :

$R_{p}={\sqrt {(2rh-h^{2})+\Delta L(2r+\Delta L)}}$, pour $h\geq 5m$.

Dans ce modèle :

• $R_{p}$ (m) est le rayon de protection ;
• $h$ (m) est la hauteur du dispositif au-dessus de la structure à protéger ;
• $r$ (m) dépend du niveau de protection (20 à 60 m selon les niveaux I à IV).

Lorsque ΔT = 0, le rayon correspond à celui d’un PTS.

Cadre normatif

La norme internationale IEC 62305 (NF EN 62305-3) ne reconnaît pas explicitement les PDA. En France, leur utilisation est encadrée par la norme NF C 17 102, qui définit leurs modalités d’essai et conditions de mise en œuvre.

Dans certains contextes réglementaires, notamment pour les installations classées pour la protection de l’environnement (ICPE), un coefficient réducteur de 40 % est appliqué au rayon de protection calculé afin de tenir compte des incertitudes associées aux modèles.

Évaluations et controverses

En 2001 le rapport initial de l'INERIS indiquait que, si la capacité des PDA à capter la foudre était constatée, leur supériorité en termes de rayon de protection par rapport aux PTS n’était pas démontrée. Il soulignait également les différences significatives entre essais en laboratoire et conditions naturelles, notamment en ce qui concerne la propagation des traceurs ascendants (« l'étincelle positive de laboratoire présente un grand nombre de différences par rapport au traceur ascendant naturel, en particulier au niveau de sa vitesse de propagation, de son type de propagation, et du champ électrique ambiant d'initiation »).

L'INERIS stipulait que l'avance à l'amorçage était démontrée et qu'il était reconnu qu'elle pouvait donner un avantage lors de la compétition des traceurs ascendants. Cependant, les essais en laboratoire ou en extérieur n'avaient pas apporté la preuve que l'avance à l'amorçage augmentait l'efficacité de la protection.

Des critiques portaient également sur :

• la variabilité des solutions techniques employées ;
• le manque de transparence des données de performance devant permettre aux utilisateurs de faire un choix éclairé ;
• l'excès de confiance en terme de volume de protection, plutôt qu'une inadéquation du point de vue physique.

Le rapport de 2017 note une évolution des protocoles d’essais vers des conditions plus représentatives (courants élevés de 100 kA), mais repose en grande partie sur des données fournies par les fabricants. Les PDA étudiés sont dorénavant tous conformes à la norme NF C 17 102. L'organisme mentionne en outre que le modèle d'attachement de la foudre sur lequel repose la technologie des PDA est en révision au plan international pour notamment mieux prendre en compte la propagation des traceurs ascendants.

Des essais in situ selon le protocole GIMELEC étaient engagés en 2015, mais leurs résultats ne sont pas publiquement disponibles.

Dans un sondage téléphonique de satisfaction réalisé en France par l'Ipsos en 2002 auprès d'installations classées pour la protection de l’environnement (ICPE), il est constaté que 21,1% des installations ne sont pas protégées, et qu'il n'y a pas de différence notable en termes de dommages observés sur un bâtiment protégé par PTS ou PDA que sur un bâtiment protégé par cage maillée. Les niveaux de satisfaction sont comparables pour les sites équipés de PTS, de PDA et de cages maillées (respectivement 40,7 %, 36,2 %, 26,5 % des sites).

Une enquête (inspection et questionnaire de satisfaction) réalisée en Malaisie en 2016 par la Commission de l'Énergie sur 419 bâtiments de 9 types différents, dont 17% (64) équipés d'un PDA, indique que les installations conformes aux normes internationales utilisent majoritairement des systèmes conventionnels (PTS, cage maillée). Les installations non conventionnelles (PDA) semblent moins présentes dans les contextes normativement rigoureux ou conçus par des experts. En outre, 3 bâtiments protégés par PDA ont été endommagés, alors que 22 des 306 bâtiments protégés par des systèmes conventionnels ont été endommagés. La durée considérée n'est pas spécifiée.

Laser teramobile

Le laser téramobile est un dispositif mobile qui délivre des impulsions laser ultrapuissantes et ultrabrèves en ionisant l'air. Il peut servir à frayer à la foudre un chemin rectiligne et est testé comme paratonnerre.

Vocabulaire

L'analyse du terme « paratonnerre » semble indiquer qu'il s'agit d'un dispositif « contre le tonnerre ». Or le mot tonnerre désignant le craquement généré par la foudre, dû à l'expansion de l'air chauffé très rapidement par l'arc électrique entre le sol et le nuage, le paratonnerre ne protège pas du tonnerre, c'est une métonymie, il protège de la foudre elle-même. On ne peut cependant utiliser le terme parafoudre, déjà utilisé pour décrire un dispositif contre les surtensions.

Voir aussi

Bibliographie

• Gérard Borvon, « Histoire de l'électricité - De l'ambre à l'électron », Vuibert, coll. Culture scientifique physique-chimie, 2009, 272 p. (ISBN 978-2-7117-2492-5)
• Jean-Christophe Pain, « Le paratonnerre radioactif », Bulletin de l'union des physiciens (Le BUP), Vol. 109, pp. 1351-1367, novembre 2015.

Articles connexes

• Jacques de Romas, qui vérifia en France le principe du cerf-volant de Franklin dès 1757.
• Procopius Divisch, qui construisit le premier paratonnerre d’Europe en 1754.
• Foudre
• Clocher
• Paragrêle

Liens externes

• Page de l'Andra consacrée à la reprise des paratonnerres radioactifs, Andra

• Notices dans des dictionnaires ou encyclopédies généralistes :

  • Britannica
  • Den Store Danske Encyklopædi
  • Gran Enciclopèdia Catalana
  • Larousse
  • Store norske leksikon
  • Universalis
• Notices d'autorité :

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